Mecanismo de intercambio calor animal-ambiente

Muchos procesos dependen de la capacidad del animal de obtener temperatura ambiente. En los cuatro mecanismos más importantes hay que tener en cuenta que el calor fluye siempre en función de un gradiente. El flujo siempre se expresa con la letra H y es la parte de la superficie corporal que interviene en el intercambio calórico.

Los animales, además de producir calor consecuencia de su metabolismo, intercambian calor con el ambiente mediante los siguientes mecanismos:

– Conducción: transferencia de calor a través de materiales sin movimientos macroscópicos, por ejemplo, el animal intercambia calor por el suelo.

– Convección: intercambio de calor por el viento. Transferencia de calor a través de materiales con movimientos macroscópicos.

– Evaporación: el animal pierde calor a través de la piel y tracto respiratorio. El agua absorbe gran cantidad de calor.

– Radiación: recibe calor por los objetos existentes en el entorno del animal (sol, suelo, vegetación…), además emite calor hacia los objetos que lo rodean.

Conducción

Propagación espontanea del calor a través de la materia según un gradiente de temperatura.

La forma que el animal tenga va a tener una implicación en cómo el calor se transmite a través de él. Si comparamos dos objetos de diferente tamaño y misma forma, en el objeto grande la relación área-volumen es baja, la capacidad calórica será alta y las distancias también varían.

La inercia calórica es la propiedad que posee un cuerpo para mantener su temperatura constante a lo largo del tiempo a pesar de los cambios que pueda experimentar su entorno, depende de la capacidad calórica del objeto y del aislamiento térmico. Los animales más corpulentos pueden mantener su temperatura con más facilidad.

– Regla de Bergman: el tamaño de un animal es mayor cuanto más frío es el ambiente en individuos de una misma especie o emparentadas.

– Ley de Allen: en el frío la silueta del animal es más achaparrada, es decir, las partes caras disminuyen.

– Ley de la piel: los mamíferos de climas fríos poseen una piel más gruesa y tupida, ya sea en forma de pelo o grasa.

Convección

El calor se propaga gracias al desplazamiento de las moléculas que lo contienen. Cantidad de energía calórica trasportada por un fluido a través de un área por unidad de tiempo. Solamente será posible en los gases y en los líquidos, además siempre será precisa una fuerza de propagación denominada fuerza conectiva.

La convección térmica espontánea es consecuencia de cambios en la densidad del fluido por cambios de temperatura. Si calentamos una masa de agua, se ve como se forman las corrientes, también en el caso del gas; una bombilla calienta el aire y pierde densidad desplazándose y renovándose por aire frió.

En la convección forzada nos encontramos con una fuerza externa o un desplazamiento dentro de ese fluido, por ejemplo, en el caso de un ciclista, se mueve en contra de la dirección del cuerpo.

La fórmula química se puede reducir a: Hc =hc x ΔT

Además es inversamente proporcional al radio de ese animal y directamente proporcional a la velocidad del aire.

Una vez comentadas estas cuestiones básicas, lo que realmente nos importa es el intercambio calórico en el seno del organismo y el intercambio calórico bidireccional con el ambiente.

Convección térmica dentro del organismo

Los organismos necesitan un sistema para distribuir la temperatura corporal en todo el organismo. En los animales más complejos pueden mantenerse ciertas partes a distintas temperatura. El encargado de realizarlo es el aparato circulatorio, que es un tipo de convección calórica forzada.

En los animales nos vamos a encontrar dos zonas muy características que son la zona del núcleo y la zona de la corteza, estamos hablando de tejidos y órganos muy profundos, los cuales tienen una temperatura muy estable y serán susceptibles a los cambios de temperatura, teniendo un metabolismo estable y elevado. Por otro lado, la corteza tiene un tejido más resistente a los cambios de temperatura y con metabolismo bajo en reposo.

Si se parase la circulación de la sangre, el núcleo subiría de temperatura y los órganos se cocerían en el interior. Además la corteza se enfriaría, por no recibir aporte de temperatura del núcleo y por estar expuesta al mundo interior.

A pesar de que definimos núcleo y corteza, la frontera entre ellos es un tanto difusa, ya que si se produce una vasoconstricción, el núcleo se hace más pequeño y si ese vaso dilata aumenta enormemente el núcleo y baja la temperatura.

• Vasoconstricción: aumenta la corteza y aumenta la capacidad de aislamiento. La temperatura desciende y se asimila al ambiente; además disminuye el intercambio calórico por conducción, ya que la diferencia de temperatura tiende a 0.
• Vasodilatación: favorece el intercambio mediante la diferencia de la temperatura.

Intercambio por contracorriente: intercambio de temperatura por donación lateral de venas más interiores con las exteriores por una vasoconstricción.

En el aire

La convección va a renovar el aire y el agua que va estar en contacto con la superficie animal. Por lo tanto se reportan movimientos convectivos, que se produce en la naturaleza y tienen como causa las diferencias de densidad que surgen en el seno de los fluidos cuando aparecen en ellos variaciones de temperatura.

Para poder estudiar estos casos, el aire se caracteriza por una gran fluidez, escasa densidad y eso origina que mínimas fuerzas permitan enormes desplazamientos; además, el aire tiene muy baja conductividad térmica, se necesita muy poca energía para elevarlo a un grado. Si la propagación calórica entre el organismo y el aire dependiese exclusivamente de mecanismos conductivos, las posibilidades de intercambio serían muy precarias, ya que en segundos, el calor que el aire nos envuelve perdería la diferencia de temperatura, pero el aire en contacto nunca será inmóvil porque se da corrientes espontaneas convectivos.

Esto favorece continuamente el intercambio calórico por conducción y esto mejora, por otro lado, la absorción del nuevo aire, es decir, impide la inspiración de aire usado.

En convección forzada, son todos los movimientos convectivos no originados por el calor de la superficie corporal. El ejemplo más universal es el viento.

En el agua

Elevada conductividad calórica, elevada capacidad calorífica y mayor densidad. Es unas 25 veces superior a la del agua. Un ejemplo representativo son los animales árticos que viven en aguas en temperaturas próximas a la congelación. Se investigó si la temperatura es más baja, si su metabolismo era más alto o si su aislante era muy grande.

Se trata de un aislamiento perfecto en el que además se aprecia una pequeña elevación de la tasa metabólica. La magia del aislamiento es consecuencia de la capa de grasa y pelo en el animal, también se puede apreciar que hay una correspondencia entre la temperatura de la piel y la del agua. El pelo de la foca no vale mucho como aislamiento sino como hidrodinámica. Otros mamíferos aéreos tienen una barrera externa a base de pelo, que captura un aire inmóvil y que funciona de aislante por su baja conductividad. En caso de un aumento de temperatura, ¿cómo disipa el calor?, pues está mucho más caliente, en consecuencia, para enfriarse mantiene un sistema de vasos que atraviesan la capa de tejido adiposo, los cuales permanecen cerrados cuando no quiere perder calor, sin embargo, hay ciertas partes no adiposas y en estas zonas la foca perdería mucho calor, para remediarlo se produce una vasoconstricción y muchos circuitos en contracorriente.

Radiación

El origen de la radiación electromagnética es cualquier cuerpo caliente, y todo cuerpo caliente es aquel que está por encima del 0º absoluto, todos los objetos están calientes y por tanto emiten radiación electromagnética. Están regidos por ciertas leyes.

Cuando los objetos emiten radiación, lo hacen a través de un intervalo de longitudes de onda.

• La ley de Binn: la temperatura afecta a la longitud de onda de la radiación. A mayor temperatura, menor longitud de onda.
• Ley de Stephan-Boltzman: relaciona la temperatura con la densidad del objeto radiante.

La radiación emitida por un objeto abarca una zona del espectro con un máximo de intensidad correspondiente a una única longitud de onda, es decir, que no solo se basa en una, sino que aunque predomine una, se emite en otras muchas.

Terminología

– Las microondas y rayos infrarrojos: su energía se trasforma casi completamente en calor. Provocan en las moléculas fenómenos de rotación y vibración térmicas.

– Fracción visible: fenómenos químicos.

– Radiación alternativas: alteraciones bioquímicas que pueden carrear lesión celular.

– Radiaciones ionizantes: alteran la cubierta electrónica de los átomos. Sus efectos son seriamente desfavorables.

– Radiación térmica en la biosfera: longitud de ondas infrarrojas invisibles.

Fuentes de radiación naturales

– Emisión solar, la atmósfera, mediante los gases, actúa de filtro de ciertas radiaciones.

– Emisión terrestre: infrarrojos lejanos con mucha menos intensidad. Temperatura media de 15 grados que solo abarcan infrarrojos lejanos. CO2 (emisiones de dióxido de carbono).

La radiación incidente será la suma de la radiación absorbida/radiación incidente.

Cuerpo negro

Es capaz de no reflejar en absoluto ninguna radiación que incide sobre él, ni trasmitirla a su través, de modo que esa energía es absorbida mínimamente.

Trasmisión de calor

Casi todos los cuerpos tienen una absorbancia próxima a 1 sin depender de su color, sin embargo frente a la radiación solar, depende de colores claros (bajas) y oscuros absorbancias altas.

Consideraciones de la radiación en animales

Intercambios de calor no relacionados con el sol: si un ave vuela en una noche fría y además se encuentra cercana a la vegetación, sufre pérdida de calor por radiación térmica hacia la vegetación y cielo, téngase en cuenta que la vegetación está fría, por otro lado, es de noche, es decir sin luz solar; a su vez, los dos elementos anteriores absorben energía del propio ave.

Un reptil por la noche puede absorber energía radiante proveniente de una roca que conservar la energía almacenada del sol, a su vez, éste transfiere energía a la propia roca.

La radiación absorbida en la piel debe de ser dispersada o conducida porque si no se produciría una quemadura. En una noche a cielo raso, el cielo emite sobre la superficie una radiación continua, ya que los gases de la atmósfera se calientan a una determinada temperatura y ésta radia. En la noche se asimila a una temperatura hipotética, se denomina temperatura radiante del cielo y es muy baja en invierno. En verano, lo caliente es el aire que nos rodea y a medida que subimos se asemeja a la del invierno, los animales emiten mucho más de lo que reciben por tanto del cielo.

Normalmente, los animales que habitan en zonas con temperaturas extremadamente bajas se tienen que esconder de la temperatura radiante succionante del cielo y, por tanto, se suelen enterrar en la nieve ya que este está mucho más caliente que el cielo.

En el caso de la liebre del desierto, es diurna, el animal experimenta un sobrecalentamiento que no puede dispersar el calor de ningún mecanismo durante el día, entra una hipertermia que se puede mantener un poco y se ha comprobado, que cuando llega el atardecer, desvía la sangre a las orejas donde se dispersa, ya que está por encima de la temperatura externa, contribuyendo a que la liebre libere calor y su cuerpo se mantenga más fresco.

Evaporación

Cuando un líquido se evapora substrae calor de la proximidad de éste, mecanismo que favorece la disipación de calor en los animales. En la evaporación el gradiente es siempre negativo, por esa razón se pueden evitar elevaciones desfavorables de la temperatura corporal mediante la evaporación.

En cuanto al tegumento, existen dos tipos de agua, exógena y endógena creada por el animal, y que puede ser regulada, sudor, o no regulada: respiración insensible, esparcimiento de saliva; agua evaporada en el tracto respiratorio: jadeo y vibración golar.

Eliminación de calor por evaporación

El sudor eficiente es aquel que una vez se crea se evapora. El sudor aparente es el que gotea. En las aves se produce jadeo y oscilación golar, mientras que en perros solo se jadea.

La evaporación siempre va a conllevar una eliminación de calor por el agua al evaporarse rápidamente.

– El agua exógena: procede del entorno y que al mojar el tegumento puede conseguir enfriar al animal considerablemente.

– El agua endógena no regulada:

– La piel deja permear bastantes cosas como el agua por difusión simple, además también se elimina por la superficie respiratoria; va a depender de la humedad relativa del aire y de la temperatura del agua.

– Esparcimiento: poco eficaz porque queda retenido en el pelo antes que llegue a la piel.

– Sistema regulado, sudoración: puede ser un proceso activo modificado eficazmente en función de las demandas reguladoras.

Glándulas sudoríparas: Tenemos dos tipos de glándulas sudoríparas:

– Apocrinas: son glándulas que además de verter el fluido secretan otras sustancias. El fluido original es inodoro, pero mezclado con las bacterias cutáneas producen un olor similar. Se puede estimular por varias cosas, aunque muchas veces son estímulos emotivos. Son catecolaminas humorales las que activan estas glándulas, sirven para marcar territorios, atracción sexual.

– Ecrinas: solo se expulsa el sudor y es por caloríficas. En todos los lados excepto en genitales externos. Tiene agua, minerales electrolíticos y compuestos no electrolíticos. El estímulo de la secreción es fundamentalmente parasimpático aunque en ocasiones también es emocional. Antes de que se eleve el metabolismo en respuesta de alarma a corto plazo, se activa la sudoración (sudor frio).

– Jadeo: respiración rápida a través de la boca abierta en respuesta al exceso de calor. El jadeo supone un movimiento excesivo de las superficies respiratorias, sin embargo hay un grado de ventilación que es el que ventila de forma elástica propia de la caja respiratoria, frecuencia respiratoria. Por lo tanto lo que hacen es jadear en esa frecuencia resonante y parar y luego seguir. Lo que se aumenta es el periodo en el que se respira. En el caso del perro, el principal centro de evaporación es la mucosa nasal.

– Oscilación o ventilación golar: rapidísima oscilación de la parte final de la boca sin requerir mucho esfuerzo; este mecanismo permite un enfriamiento respiratorio típico en las aves.

La evaporación puede representar un útil mecanismo para el enfriamiento del animal en casos de excesos en la absorción del calor. En los anfibios se disipan por la piel, por ejemplo, las ranas y su mecanismo de evaporación cutánea. El jadeo en los reptiles provoca un cierto enfriamiento del cerebro ya que pasan importantes arterias por allí.