Вовед во еколошка морфологија и физиологија на животни СС предавање 4 Енергетски биланс

Вовед во еколошката морфологија и физиологија на животните СС 2015 Предавање 4 Енергетски биланс

Енергетски биланс I Основи, дефиниции, методи Енергијата е универзална валута на животот

Проток на материја и енергија во автотрофни и хетеротрофни организми автотрофен организам (растителен) хетеротрофен организам (животно) сончева светлина H 2 O CO 2 соли на фотосинтеза CO 2 NH 3 H 2 O работа, топлина O 2 гликоза ендогени органски супстанции катаболизам анаболизам анаболизам катаболизам О 2 ендоген варење органска материја органски градежни блокови работа, топлина H 2 O CO 2 според: Х. Пензлин: Учебник за физиологија на животните, Густав Фишер Верлаг Јена, Штутгарт, 6-то издание, 1996 година

Хемоутотрофни организми => симбиози

Студот пробива Студени (метан) извори на морското дно

Спецификација на Олавиј. Анелида Риланд и без колонизам. 2006. BIOspektrum 12, 600-602. Giere and Erséus 2002. Org. Divers.Evol. 2, 289-297

Риланд и др. 2008. BioSpektrum 06.06, 600-6002

Пресметки на буџетот, излез на базенот

Мерење на метаболизмот на енергијата Екскреција + Фекалии Мерење на производството на CO 2 CO 2 NH 3 H 2 O работа, топлина Мерење на сработеното и дадената топлина Сопствени органски материи на организмот Анаболизам Катаболизам O 2 Мерење на потрошувачката на O 2 варење органски градежни блокови

Што е енергија Енергијата е способност на системот да извршува работа. Сите форми на енергија (хемиска, електрична, кинетичка, итн.) Можат да се претворат во топлина. Затоа, долго време, калориите беа заедничка единица на енергија: 1 кал = енергија потребна за загревање на 1 g вода од 14,5 C до 15,5 C. Денес се применува SI (меѓународната) единица ouул: 1 cal = 4 18 J или 1 J = 0,24 кал затоа што оваа единица е многу мала, таа нормално се пресметува во килокалории или киложули: 1000 кал = 1 ккал 1000 Ј = 1 к k Физичка количина Конверзија на единица Сила на дефинирање Newутн (Н) N = kg xm/s 2 маса x енергија за забрзување џул (J) J = N xm производ на завршена работа, = W xs растојание и сила што се применува количина на топлина = kg xm 2/s 2 моќност вати WW = J/s работа по единица време ( Топлина, потрошувачка на енергија)

Мерење на енергетскиот метаболизам од: Шмит Нилсен 1997. Физиологија на животните. 5-ти Ед. Универзитетски печат во Кембриџ

Енергетски текови во животински организми Стекнување и апсорпција Метаболизам и дистрибуција Потрошувачка храна Црн дроб оксидирачки подлоги Масно ткиво Складирање на маснотии Репродукција Движење на растот Производство на топлина Добиено од: Wade & Schneider, Neuroscience and Biobehavioral Осврти 16: 235-272, 1992.

Компоненти на енергетскиот метаболизам Репродукција Раст и старост Активност Дневно трошење енергија (ДЕЕ) Метаболички стапки на теренот (FMR) Производство на топлина Стандардна метаболичка стапка (SMR) Одржување на основната метаболичка стапка (BMR)

Компонентите на енергетскиот метаболизам BMR во основа се мерат под следниве услови: (1) во термонеутралната зона (2) пост-апсорптивно (3) нема движење или друго движење (4) во мракот (ако е можно за време на деноноќната фаза на одмор) (5) нема репродуктивна активност (вклучително и лактација) (6) Без раст (7) Нема други енергетски скапи физиолошки услови (душкање, менување на палто, душкање) Ако наведените услови не можат да се исполнат, мора јасно да се наведе под кои услови се извршени мерењата. Во случај на ектотермални организми, се зборува за стандардната стапка на метаболизам (SMR) со индикација за температурата (30 C за сауропсиди по дефиниција)

Дневна потрошувачка на енергија = Потребна енергија Промет на енергија кај возрасно човечко суштество Промет на енергија (kcal на ден) 2500 2000 1500 1000 Термогенеза активност Базален метаболизам Производство на топлина предизвикано од храна (задолжително и опционално) - Одржување на хемиски и електрични градиенти - Синтеза на протеини 500 60 --70 %% - Отчукување на срцето и дишење телесна температура 0

Ектотерма на термонеутрална зона 1 = помала смртоносна температура; 2 = хипотермија; 3 = понизок крај на контролната температура 4 = ендотермички контролен опсег; 5 = пониска критична температура; 6 = термонеутрална зона 7 = горна критична температура; 8 = ендотермички контролен опсег; 9 = горна смртоносна температура

Влијание на изолацијата врз обртот на енергија во студено време арктички тропски 400 300 мелени верверички поларна мечка младенче коати ласица енергетски обрт мармосет човечки мајмун (% БМР) леминг мрзеливост 200 100 арктичка лисица 0-60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 температура на околината (Ц) од: К Шмит-Нилсен, физиологија на животните, 1983 година

Термонеутрална зона Korhonen et al. 1985. Комп. Биохемија. Физиол. 82А; 959-964 година

Методи на метаболичко мерење Буџет на енергија од: Хјум 2005. во физиолошки и еколошки адаптации на хранење кај 'рбетници. Едрите на Старк и Ванг. Наука Пуибл.

Метаболни методи на мерење Калориметрија на бомби од: Александар 1999 година. Енергија за животниот век. Серија биологија на животни во Оксфорд.

Методи за мерење на метаболизмот Буџет за енергија

Методи за метаболичко мерење Калориметрија на бомби Апликации: не е погодна за живи организми Мерење на енергетската содржина на органите и компонентите на телото Мерење на енергетската содржина на храната и изметот Едноставно ракување денес се користи како рутина при определување на анализи на храна

Respirometry Systems Burnett and Grobe 2013. American Journal of Physiology - Ендокринологија и метаболизам. ДОИ: 10.1152/ајпендо.00387.2013

Метаболни методи на мерење Респирометрија (индиректна калориметрија)

Респирометрија кај морските лавови http://www.marinemammal.org/mmru/

Метаболни методи на мерење Респирометрија (индиректна калориметрија) Апликации: Мерење на БМР (О 2), метаболизам на перформансите, итн. Мерење на респираторните параметри (плима волумен, стапка на дишење, извлекување О) Мало ограничување на организмите Animивотните можеби треба да бидат обучени зависат од големината => различни системи од Дрософила до коњ

Мерење на енергетскиот метаболизам Екскреција + Фекалии Мерење на производството на CO 2 CO 2 NH 3 H 2 O работа, топлина Мерење на извршената работа и дадената топлина Органски материи на организмот сопствени анаболизам катаболизам O 2 Мерење на потрошувачката на О 2 варење органски градежни блокови

Методи на метаболичко мерење на респирометрија (индиректна калориметрија) од: Клајбер 1975. Огнот на животот. Воин објав. Комп. Хантингтон

Двоен обележан метод на вода (DLW) http://www.abdn.ac.uk/energetics-research/doubly-labelled-water/summary/

Двоен обележан метод на вода (DLW) од: Д.А. Д-р Шолер, стабилни изотопи на ISOTEC: алатки за мерење на потрошувачката на енергија, 2011 година, 2 4

Теорија на еволутивна трговија Основната метаболичка стапка на секој вид на неговата нормална температура на околината претставува еволутивна оптимизација за соодветните видови, на што влијаат температурата, екологијата и индивидуалната животна историја. (од: Кларк и Фрејзер, функционална екологија, 18: 243-251, 2004)

Kleiber s 0,75 експонент за скалирање

Зависност од големината на потрошувачката на енергија Тежина Потрошувачка на енергија видови (кг) (ккал/ден) (ккал/кг/ден) Шур 0,0048 4 854 Глувче 0,025 5 189 Верверица земја 0,096 10 108 Стаорец 0,29 29 99 Мачка 2,5 196 78 Куче 12 447 38 овци 43 1107 26 човечки 70 1703 24 коњ 650 8205 13 слон 3833 30929 8 од: К Шмитт-Нилсен, физиологија на животни, 1983 година Потрошувачка на енергија/кг куче стаорец човечки слон 0,01 0,1 1 10 100 1000 телесна тежина (кг ) Закон за намалување на метаболизмот Ако некое лице ја има истата потрошувачка на енергија специфична за тежината како пискав, тој ќе треба да јаде 85 кг компири или 38 кг јајца или 31 кг печено свинско месо на ден!

Зависност од големината на потрошувачката на енергија BMR = секира Тежина 0,75 10 3 10 0 BMR (kcal/h) 10-3 10-6 1,0 0,67 10-9 10-12 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 10 0 10 0 10 3 Тежина на телото (кг) од: К Шмит-Нилсен, Физиологија на животните, 1983 година

PIC анализа 585 видови цицачи

Метаболичката теорија на екологијата

Метаболичка теорија на екологија Вест и др. 2002. PNAS 99, 2473-2478

Хипотеза за граница на метаболичко ниво Glazier 2010. Биолошки прегледи 85. 111-138

Сл. 14-3 од Калдер 1984. Големина, функција и историја на живот. Харвард горе.

Спикман 2005, ЈЕБ 208: 1717-1730. Големина на телото, метаболизам на енергијата и животниот век

Спикман 2005, ЈЕБ 208: 1717-1730.

Компоненти на енергетскиот метаболизам Репродукција Активност на раст Производство на топлина Одржување на базалната метаболичка стапка (BMR)

Амбиентална температура и конверзија на енергија со ендотерми Енергетска конверзија термогенеза базална конверзија 0 C 37 C На температури под термонеутралната зона, потрошувачката на енергија за термогенеза се зголемува.

Производство на топлина: споредба Дневна потрошувачка на енергија човек/глушец (kj) 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 активност на човечка термогенеза активност на термогенеза на глувче базална метаболичка стапка базална метаболичка стапка 40 30 20 10 0 0 На собна температура (21 C), процентот на производство на топлина во потрошувачката на енергија е глушец многу повисок од оној на луѓето

Базален метаболички стапка во Јакут од Сибир Снодграс и сор. 2005 АМЕР Ј ЧОВЕК БИОЛ17: 155 172

Генетска анализа на популацијата на протеините што не ги спојуваат поддржува улогата на UCP3 во отпорноста на студ кај луѓето Преземено од http://mbe.oxfordjournals.org/ на Universitaetsbibliothek Muenchen на 6 мај 2013 година

Skylark skylark Crested lark crested lark Пустински ариш камен ариш Hoopoe lark lark sandpiper lark

Тилеман и сор. 2002. Прок. Рој. Соц. Лондон 270, 207-214.

Трошоци за енергија за различни видови активност Потрошувачка на енергија (kcal/kg/km) 10 2 10 Летање Вклучување 1 10-1 Пливање 10-2 10-6 10-3 1 10 3 Тежина на тежината (kg) од: K Schmidt-Nielsen, Animal Physiology, 1983 година

Големина на тело и трошоци за енергија за водење активност Потрошувачка на енергија 6 глувци (21g) (ннд 2/кг * ч) 5 4 кенгурски стаорец (41g) кенгурски стаорец (100g) стаорец (380g) куче (2,6 kg) 3 мелени верверички (240 g) 2 1 куче (18kg) ) 0 0 2 4 6 8 10 брзина на трчање (км/ч) од: К Шмит-Нилсен, физиологија на животните, 1983 година

Промет на енергија за активност (перформанси-промет на енергија) Максимално зголемување на метаболизмот за време на активност како повеќекратно од основната метаболичка стапка: Инсекти: Колибри: преживари: Луѓе: 20-100 x 8 x 8 x 20 x Поголема базална метаболичка стапка е поврзана со поголема максимална излезна метаболичка стапка!

Петерсен и сор. 1990. ПНАС 87, 2324-2328

Кучиња санки како систем за модели на цицачи

1150 милји за 10 до 17 дена, на просечно. темп. -30Ц Балто Централ парк, Cујорк

Герт и сор. 2010. JCPB Дневни трошоци за енергија

Физиологија на куче што произлезе од> 10000 години припитомување и 1500 години работен однос

Зимска работа: просе. 60 км ден -1 @ 10 км ч -1, оптоварување

2-5 кг по куче Температура: 20 С до 40 С Снабдување со храна: неправилен, висококвалитетен, балансиран буџет

Метаболички обем Работните кучиња имаат најголема одржлива стапка на метаболизам позната за кој било цицач = 50.160 kj d 1 Еквивалентно на 4.200 4.400 kj kg 0,75 d 1 Необучени, седечки кучиња под исти термички услови имаа DEE од 10,500 ± 3,400 kj (1,100 ± 200 kj kg 0,75 г 1) Се проценува дека RMR е 370 kj kg 0,75 d 1 Одржлив метаболички опсег 12x RMR! Хинчклиф и др. (1997) Ам. J. Vet Res. 58, 1457 1462 Hill (1998) J. Nutr. 128 (Додаток 12), 2686С 2690С

Метаболички опсег Споредете со 1.400 kj kg 0,75 d 1 во велосипедисти на Тур де Франс = 5,6 x RMR 1,900 kj kg 0,75 d 1 во диви колибри = 5,8 x RMR 3,900 kj kg 0,75 d 1 кај лактациони ладно-аклиматизирани глувци = 6,4 x RMR Хамонд и Дијамант (1997) Природа 286, 457 462

Максимален внес на енергија што може да се метаболизира, внес на енергија што се метаболизира во тркачки санки за кучиња беше 44,600 kj d -1 еквивалентно на: 4,5 kg BigMac (= 20,5 MacDonald BigMac со големина на сервирање 219 g) 4,0 kg бели колбаси (баварски); или 13,5 кг сурова риба. Негативниот енергетски биланс резултираше со просечна загуба од 1,1 кг по куче за време на трката. Но, продолжени периоди на гладување (до 3 недели) во текот на летото.

Максимален одржлив метаболички опсег Хамонд и Дијамант 1997. Природа 386, 457-462

Компоненти на енергетскиот метаболизам Репродукција Раст, возраст + раст Активност на репродукција Производство на топлина Одржување на базалната метаболичка стапка (BMR)

Возрасна зависност на потрошувачката на енергија за активност (перформанси-потрошувачка на енергија/лице) од: Шварц и Риболд 1990. Воздухопловство, простор, опкружување. Мед 61, 3-11.

Трошоци за енергија за активност (перформанси-потрошувачка на енергија/човек) од: Шварц и Риболд 1990. Воздухопловство, простор, околина. Мед 61, 3-11.

Податоци од истражувањето на канадски Кембел, 1988 година, студија за норвешки Тромсо, 1986-7, Велика Британија (ADNFS) 1990, САД (NHANES) 99-02, Финска (Finrisk) 2002, NFBC 2002 VO2max, ml/min, kg 60 50 40 30 20 0 20 40 60 80 Возраст Канада, М Канада, F ADNFS, F ADNFS, М Тромсо, Ф Тромсо, М Финска, М, Ф Финриск, М Финриск, Ф НХАНЕС М НХАНЕС Ф

Крол и сор. 2007. JEB 210, 4233-4243

Енергетско барање за репродукција: споредба човек/стаорец женски стаорец женска 300 650 основна бременост лактација 2000 140 15 70 kcal/ден

Адаптација на ограничени енергетски ресурси Намалување на енергетските потреби: формирање на трајни фази (на пр. Инсекти) Зимување во крут студ (на пр. Влекачи, водоземци) Сезонска репродукција Намалување на емисијата на топлина Изолација преку крзно, однесување на пердуви (гнездо градење, гушкање) Намалување на телесната температура или хипометаболизам Торпор ( Хибернација на птици, џуџести хрчаци, глувци (хибернација, на пр. Marmots, dormice) естивација (летен сон, на пример, лилјаци, лемури) создавање резерви на енергија: надворешни резерви на енергија (хрчаци, верверички) ендогени резерви на енергија масно ткиво (поткожно, висцерална птица, масна опашка) миграција

Намалување на побарувачката на енергија подобрена изолација (намалување на загубата на топлина)

Намалување на енергетските потреби Торпор и хибернација (хипометаболни состојби) С. Клаус 2005 година

Хипометаболизам кај ендотерми (цицачи и птици) Дневен потрошувач на енергија на Торпор ден 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ден на потрошувачка на енергија во хибернација 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Заштеда на енергија преку Torpor и хибернација дневно Torpor Заштеда на енергија дневно Torpor: до 60% хибернација: до 90% хибернација од: Хелдмаер и сор., Респираторна физиологија и невробиологија 141: 317 329, 2004

Појава на торпор и хибернација кај цицачи дневна хибернација на торпор торпорари глодари примати припадници на лилјаци од: Хелдмаер и сор., Респираторна физиологија и невробиологија 141: 317 329, 2004