Uso de la energía

Uso de la energía: afrontando los desafíos del ambiente

División de Ciencias Biológicas y de la SaludLicenciatura: Biología Grupo: B102B Docentes: Dra. Maria Elena Castellanos Paez Dra. Gabriela Garza Mouriño Fecha: 01/09/2022

Claudia Guerrero Lazcano Karla Paola Escamilla Tapia Nelly Sarai Vizueth Bautista Valeria Castillo Vilchis Sebastián Malagón Serrano Yadira Gissele Calderón López Alison Denise Sandoval Alonso

Integrantes:

Contenido

G) Relaciones térmicas en endotermos

A) Concepto de metabolismo energético

H) Letargo: estados metabólicos especiales

B) Medida de la tasa metabólica

I) Energética de la locomoción

C) Tamaño corporal y tasa metabólica

J) Ritmos corporales y energética

D) Temperatura y energética animal

K) Energética de la reproducción

E) Relaciones térmicas en ectotermos

L) Energía, ambiente y evolución

F) Relaciones térmicas de los heterotermos

Referencias

Introducción

Los animales requieren combustible para:

• Obtener energía para producir trabajo.
• Mantiener su integridad estructural.
• Reproducirse.
• Degradar compuestos irganicos grandes.
• Utilizar la energía química para producir gradientes. electricos, ionicos, osmóticos y contracción muscular.

Fuente: Jiménez J. (2020)

Captura + utilizar recursos energéticos del ambiente= habilidad para competir

A) Concepto de metabolismo energético

Metabolismo: engloba la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en un organismo.

Temperatura corporal: variable vital que afecta todos los aspectos de la función animal.

Tasa corporal baja: excluyen las tasas metabólicas elevadas

Tasa metabólica alta: elevada producción de calor.

Fuente: Ibañez M. (2015)

Fuente: Thatcher W. (2012)

Masa corporal: afecta al gasto energético del animal. Los animales pequeños tienen tasas metabólicas específicas que los animales màs grandes. Afecta a los procesos fisiológicos y a la capacidad de la mayor parte de los sistemas fisiológicos. Tambien la reproducción afecta.

Producción de calor metabólico: Se usa para aumentar la temperatura de los tejidos del animal hasta niveles que aumentan significativamente la velocidad de las reacciones químicas.

Fuente: Universidad de Guayaquil. (2019)

Fuente: Ramírez-Mejía, Diana & Mendoza, Eduardo. (2010).

Anabolismo y catabolismo

Fuente: Scienza Educación (2020)

Los intermediarios metabólicos más sencillos como la glucosa y el lactato, serven de compuestos de almacenamiento de la energía.

Toda la energía liberada durante los procesos metabólicos aparece como calor.

Energía liberada = calor

Indice de metabolismo energético

Metabolismo energético. (s.f). Pinterest

Tasa metabólica: mide la conversión de energía química a calor.

Fuente: Ballesteros F. et al (2018)

B) Medida de la tasa metabólica

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La contribución del metabolismo anaeróbico puede ser significativa, esto determiado por una derivada de oxígeno en periodos breves de ejercicio.

Fuente: Eckert y Randall (1989)

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Calorimetría

Rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía en procesos de intercambio de calor.

Fuente: Journal Publice (2000)

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Calorimetría Directa

Cuando no se está realizando un trabajo físico ni se sintetizan nuevas moléculas, toda la energía química liberada por un animal al llevar a cabo sus funciones metabólicas fluirá en forma de calor. Ley de Hess

Fuente: Conocimiento en un click . (2021).

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Calorimetría indirecta

• Consiste en medir el calor que crean los seres vivos a partir de la fabricación del CO2 y desechos nitrogenados.

Amoniaco: organismos acuáticos Urea: organismos terrestres

• 2. Para determinar la tasa metabólica de un animal en un estado estacionario de energía se utiliza la siguient fórmula.

Tasa de captación de energía química - tasa de pérdida de energía química = tasa metabólica (producción de calor)

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...

Captación total de energía = contenido químico del almacenamiento

Energía perdida = energía química no absorbida heces y orina

Fuente: INEMEC. (2015)

Bomba calorimétrica

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Bomba calorimétrica

Contenido energético de los alimentos excretados

Fuente: Labinco S.A. (2015).

Fuente: QUÍMICA UTNFRH. (2019).

Hoja de balance

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Es importante saber que...No toda la energía extraída del alimento está disponible para todas las necesidades metabólicas del animal, ya que depende del tipo de alimento y el proceso de absorción y digestión en el tubo digestivo.

Fuente: Barri A. (2014)

Medidas indirectas de la fase metabólica

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Dependen de: Mediciones variantes relacionadas con la utilización de energía y que no sea la producción de calor.

Oxidación aeróbica:

Cantidad de oxígeno cosumido

Cantidad de calor producido

Respirometría

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Puntos importantes:

• Intercambio respiratorio de un animal.
• El respirómetro es un dispositivo que se utiliza para medir la tasa de respiración de un organismo vivo midiendo su tasa de intercambio de oxígeno y / o dióxido de carbono.
• Están diseñados para medir la respiración ya sea a nivel de un animal o planta completa o a nivel celular.

...

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Sistema cerrado: cámara cerrada de agua o de aire en la que se miden las cantidades de oxígeno y CO2 en un periodo determinado.

Fase gaseosa: el CO2 puede medirse con un electrodo del mismo.

Sistema abierto: se realiza en animales provistos de mascarillas de respiración

Fuente: Quesada L. (2014)

Postulados de la tasa metabólica

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1. Se asume que las reacciones químicas relevantes son aeróbicas.
2. La anaerobiosis es importante en animales que viven en ambientes hipóxicos.
3. La cantidad de calor producido que pasa a energía liberada (postulado incierto).
4. Las reservas de O2 del cuerpo son pequeñas por lo que el consumo del oxígeno del aire o del agua representan una mayor presición tasa metabólica.

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Técnicas isotópicas

Determinan la actividad específica de muestras seriadas de sangre o de otros líquidos corporales. También permiten la detección de moléculas en ciertas cantidades mediante métodos químicos de análisis.

Cociente respiratorio (Rq)

Es más práctico medir la cantidad de carbono convertido a CO2Es lelación entre el volumen de CO2 espirado y el de O2 extraído del aire en un tiempo dado.

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Rq de los principales tipos de alimentos

Carbohidrátos: el catabolismo completo de la glucosa

6CO2 + 6H20

C6 H12 O2

Rq= 6 volúmenes de CO2/6 volúmenes de O2= 1

Proteínas: Rq del catabolismo proteico presenta un problema especial, porque las proteínas no se degradan completamente durante el metabolismo.

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Relación entre MO2 y MCO2

Intercambio respiratorio con relacion instantanea entre MO2 y MCO2.

Fuente: Valencia. (2020)

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Almacenamiento de energía

• Los animales gastan energía de forma continua pero algunos no ingieren conctantemente alimento.
• Los carbohidrátos se almacenan en una forma voluminosa.
• Son importantes como depósito de energía.

• Grasas: no pueden ser metabolisadas aeróbicamente en respuesta a demandas energéticas.

Fuente: Parada R. (2021).

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Acción anónima específica (SDA)

Max Rubrer (1885) demostró el incremento del metabolismo acompañado de procesos de digestión y asimilación del alimento con independencia de otras actividades

• Consumo de oxígeno y producción de un animal incrementa 1 hora después de una comida.
• Se pueden obtener tasas metabólicas diferentes dependiento del animal en estado posabsortivo

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C) Tamaño corporal y tasa metabólica

Cambios de la masa corporal tienen grandes efectos en la tasa metabólica de un animal.

Tasa metabólica específica de masa: tasa metabólica de una unidad de masa del tejido.

Tasa metabólica: función exponencial de la masa corporal.

TM = aMb

TM = tasa metabólica basal o estándar.M = masa corporal. a = interacción de la línea de regresión log-log. b = 0.75

aM(b-1)

TM

aMb

Play

Fuente: Eckert y Randall (1989a)Relación inversa entre tasa metabólica y masa corporal.

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Max Rubner (1883)

Hipótesis de la superficie

McMahon y Bonner(1983)

Área en sección transversal

El área en sección transversal refleja más estrechamente la relación de escala de la tasa metabolica con la masa corporal.

La TM de las aves y los mamíferos que mantienen una temperatura corporal estable es proporcional a su superficie corporal.

Objeciones

• Ley de Kleiber

• Tasa metabólica de endotermos y ectotermos.

Fuente: Varsity Tutors (2016)Secciones transversales de un ciclindro.

Play

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D) Temperatura y energética animal

Dependencia térmica de la tasa metabólica

El metabolismo tisular y la vida de un organismo dependen del mantenimiento del medio interno a temperaturas compatibles con las reacciones metabólicas facilitadas por enzimas. Para obtener el efecto de la temperatura en la velocidad de una reacción se debe obtener un Cociente térmico.

Ecuación de van't Hoff: Q10 = (k2/k1) 10/(t2-t1) Tasa metabólica Q10 = (TM2/TM1) 10/(t2-t1)

Intervalos de temperatura de 10°CQ10=TM(t+10)/TMt Temperatura, ezimas y tasa metabólica TM/M= k10b1t

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Aclimatación térmica Mecanismos enzimáticos

Aclimatación enzimática

La aclimatación se produce tanto en tejidos aislados como en animales completos.

El calor o el frío ambientales provocan cambios compensatorios de la fisiología y morfología de muchas especies.

• Ambientación:

Cambio global que sufre el animal en el marco natural.

• Aclimatación:

Cambios fisiológicos específicos desarrollados con el tiempo en respuesta a la variación de un factor ambiental.

• Adaptación:

Cambios evolutivos que hay en miles de generaciones de una especie.

Fuente: National Geographic España (2016)

Fuente: Eckert y Randall (1989a)

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Adaptaciones homeoviscosas de la membrana

A bajas temperaturas la membrana puede estar en una fase de tipo gel con una viscosidad de los lípidos muy alta, mientras que a altas temperaturas puede volverse hiperfluida con una muy baja viscosidad. Adaptación homeoviscosa: Adaptaciones a nivel molecular a través de la selección natural que ayudan a minimizar las diferencias de viscosidad provocadas por la temperatura.

Fuente: Eckert y Randall (1989a)

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Determinantes del calor y la temperatura corporales

La temperatura de un animal depende de la cantidad de calor que tiene por unidad de masa de tejido.La tasa de intercambio de calor corporal depende de:

• 1. La tasa de producción de calor mediante el metabolismo
• 2. La tasa de ganancia de calor externo
• 3. La tasa de pérdida de calor al ambiente

calor corporal = calor producido +(calor ganado - calor perdido)

• = calor producido
• +transferencia de calor

Fuente: Eckert y Randall (1989a)

Htot= Hv+Hc+Hr+He+Hs

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La tasa de transferencia hacia afuera o hacia dentro del animal depende de los siguientes factores:

La conductancia especifica de calor de la superficie de un animal varia con la naturaleza de su superficie corporal.

La diferencia térmica entre el ambiente y el cuerpo del animal tiene un gran efecto sobre el gradiente de temperatura.

La superficie por gramo de tejido disminuye al aumentar la masa corporal, determinando que los animales pequeños tengan un flujo elevado de calor por unidad de peso corporal

Los animales emplean varios mecanismos para regular el intercambio de calor entre ellos y el medio

Control comportamental Control autónomo Ambientación

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Clasificación de los animales según la temperatura

Homeotermos

Cuando se exponen en el laboratorio a temperaturas variables del aire o del agua, mantienen temperaturas corporales por encima de las ambientales y regulan sus temperaturas corporales en un rango fisiológico estrecho, controlando la producción y la pérdida de calor

Poiquilotermos

Su temperatura corporal tiende a fluctuar más o menos con la temperatura ambiente cuando las temperaturas del aire o del agua se varian experimentalmente.

Fuente: Eckert y Randall (1989a)

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E) Relaciones térmicas en ectotermos

Eckert y Randall (1989b)

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F) Relaciones térmicas en heterotermos

Eckert y Randall (1989b)

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G) Relaciones térmicas en endotermos

Mecanismos de regulación de la temperatura corporal

Mecanismos homeostáticos

1- Termogenesis

Mamiferos: 37° y 38°C Aves : 40°C

2- Endotermia en ambientes fríos

Zona termoneutral

• Hipotermia

3- Intercambio de calor por contracorrinte

4- Endotermia en ambientes cálidos- disipación del calor corporal

• Hipertermia

• Ley de Fourier del flujo de calor

5- Enfriamento por evaporación

Fuente: Eckert y Randall (1989b)

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Regulación termostática de la temperatura corporal

Centros termurreguladores de no mamiferos

VS

El hipotálamo: termostrato de los mamiferos

Fiebre

Termorregulación durante el ejercicio

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H) Letargo: estados metabólicos especiales

EL SUEÑO

TORPOR

Implica ajustes generales de la función cerebral, en el que el control térmico hipotalámico se suspende durante la fase del sueño.

La temperatura corporal fluctúa en cortos períodos de tiempo y el mecanismo está controlado por el animal.

+ info

01

02

Cuanto menor sea la temperatura corporal, menor será la tasa metabólica.

ANIMALES DE SUEÑO POLIFÁSICO

ANIMALES DE SUEÑO MONOFÁSICO

Fuente: Ahanlon, J. (S.f)

Fuente: National Geographic (2018)

Fuente: Freepik (2022)

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HIBERNACIÓN Y SUEÑO INVERNAL

Hibernación

Sueño invernal

La temperatura corporal disminuye pocos grados.

Período de torpor profundo y por periodos largos de tiempo en climas frios.

Al tener una temperatura corporal "alta", no va a ofrecerse el mismo ahorro energético que la hibernación.

Fuente: Eckert y Randall (1989)

Fuente: Vexels (2017)

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ESTIVACIÓN

Aletargamiento de algunas especies de vertebrados e invertebrados en respuesta a temperaturas ambientales extremas o a un peligro de deshidratación.

Los animales pasan estas temporadas en un estado de inactividad. Es fisiologicamente Similar a la hibernación pero difiere en el periodo estacional.

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I) Energética de la locomoción

Tamaño corporal, velocidad y coste de la locomoción

Coste metabólico de la locomoción

Cantidad de energia requerida para mover una unidad de masa del animal a una unidad de distancia.

Generalizaciones

- La locomoción es un proceso metabólicamente costoso. - La tasa de consumo de oxigeno que excede de la tasa metabólica basal aumenta linealmente con la velocidad. - El aumento de utilización de energia para un incremento de velocidad es menor en los animales grandes.

Fuente: Eckert y Randall (1989b)

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Factores físicos que afectan a la locomoción

Efectos inerciales

Resistencia al avance

Los animales pequeños, requieren menos energía para acelerar a una determinada velocidad y precisan menos energía para desacelerar.

Los animales grandes tienen una relación superficie-volumen menor, experimentan menos resistencia del fluido que los animales pequeños.

Fuente: Juan (2017).

Fuente: Eckert y Randall (1989b)

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Locomoción acuática, aérea y terrestre

Natación

Aunque la elevada densidad del agua les permite estar en flotabilidad neutra, también les produce una gran resistencia al avance.

Los animales que nadan no necesitan sostener su propio peso, o es muy poco.

Flujo laminar: Si la transición de la velocidad del liquido es continua a medida que el líquido se aparta de la superficie del objeto.

Flujo turbulento: se produce cuando hay bruscos gradientes e inconsistencias en la velocidad de flujo.

Fuente: Eckert y Randall (1989b)

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Aire

Ofrece muy poco soporte de flotación, por lo que todos los voladores deben vencer a la gravedad utilizando principios de sustentación aerodinámica.

Las fuerzas de resistencia al avance son mucho mayores en el agua que en el aire. Solo los animales voladores muy pequeños menores que una libélula, son incapaces de deslizarse (planear) en el aire.

Fuente: Hadan (2012).

Fuente: Eckert y Randall (1989b)

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Carrera

La carrera es menos eficiente que el vuelo o la natación porque los músculos se emplean tanto para la desaceleración (trabajo negativo), como para la aceleración

Se emplean los músculos de las patas, y esta diferencia explica la baja eficiencia del trabajo de correr. El centro de masa (CM) de un animal bípedo o cuadrúpedo, cuando corre, sube y baja ciclicamente con cada paso.

Fuente: Rosero, J (2019).

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J) Ritmos corporales y energética

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L) Energía, ambiente y evolución

Evolución

Ambiente

Energía

Demandas de los sistemas fisiológicos

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Referencias...

• Eckert, R., y Randall, D. (1989a). Equilibrio iónico y osmótico. Fisiología animal: mecanismos y adaptaciones (623-682). Nueva York: McGraw-Hill.
• Eckert, R., y Randall, D. (1989b). Uso de la energía: Afrontando los desafíos del ambiente (725-790). Nueva York: McGraw-Hill.
• En Pocas Palabras - Kurzgesagt. (2020). Cómo hacer explotar a un elefante con ciencia. El tamaño de la vida 2. Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://www.youtube.com/watch?v=2CQb62v3KpQ&ab_channel=EnPocasPalabras%E2%80%93Kurzgesagt
• Varsiry Tutors. (2016). Secciones transversales. Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://www.varsitytutors.com/hotmath/hotmath_help/spanish/topics/cross-sections
• Ecosistema. (2021). Que es un ecosistema para niños. Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://www.ecosistema.top/ecosistemas-terrestres/
• Romero, H. N. A. (2021). ¿Qué comen las musarañas? Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://www.expertoanimal.com/que-comen-las-musaranas-25328.html
• Fernández, S. E. (2017). La carrera del salmón: un asombroso viaje. Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://misanimales.com/la-carrera-del-salmon-un-asombroso-viaje/
• Date un voltio. (2016). La ley del cuadrado cubo. Consultado el 29 de agosto de 2022 de: https://www.youtube.com/watch?v=MPd5XpsjRoo&ab_channel=DateunVoltio

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• Rank Smashers. (2019). 7 Animales Impactantes Congelados En El Hielo [video online]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=AJFhT7y1z2Y [Consulta: 31 de Agosto de 2022].
• Dietex Zone Curiosidades. (2021). 5 Animales que aguantan el calor extremo [video online]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=x-66zYimNZI [Consulta: 31 de Agosto de 2022].
• Rubén Arturo Guzmán Pittman. (2022). ENTOMOLOGÍA - Cómo los insectos dominaron los aires | El Vuelo [video online]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=uMgQ0n263g4 [COnsulta: 31 de Agosto de 2022].
• National Geographic España. (2016). Las ranas de las nieves. [Página web]. Disponible en: https://www.nationalgeographic.com.es/mundo-ng/grandes-reportajes/ranas-audaces_4128 [Consultado: 30 de agosto de 2022].
• Ruiz, S. (2005). El sueño en los animales. (2015). Bases Morfológicas de un Fenómeno: Torpor vs Hibernación. [Consultado el 31 de agosto de 2022]. https://www.researchgate.net/publication/324522085