7EF – Ectotermia e Endotermia

BNCC. EM Ciencias: EM13CNT207, EM13CNT306A

Disponível em: Khan Academy

Principais pontos

  • A maioria dos animais precisa manter sua temperatura corporal dentro de uma faixa relativamente estreita.
  • Os animais endotérmicos usam o calor gerado internamente para manter a temperatura corporal. A temperatura corporal deles tende a permanecer constante, independentemente do ambiente.
  • Os ectotérmicos dependem principalmente de fontes externas de calor, e sua temperatura corporal muda com a temperatura do ambiente.
  • Os animais trocam calor com o meio ambiente através da radiação, condução – às vezes auxiliada por convecção – e evaporação.

Introdução

Como está o tempo lá fora hoje? Se você estiver no inverno, pode estar bem frio. Se for verão, pode estar bem quente. De qualquer forma, há uma grande chance de que sua temperatura corporal esteja por volta de 36,5ºC. Mecanismos como tremer de frio e suar entram em ação quando seu corpo fica muito frio ou muito quente para manter sua temperatura interna constante. Nem todos os organismos mantêm sua temperatura corporal em um intervalo pequeno como fazem os seres humanos, entretanto praticamente todos os animais do planeta precisam em algum ponto regular sua temperatura corporal — pelo menos para evitar que a água em suas células virem gelo ou que suas enzimas metabólicas se desnaturem com o calor.

Em geral, os animais podem ser divididos em dois grupos, com base em sua forma de regulação da temperatura corporal: endotérmicos e ectotérmicos. Vamos conhecer a diferença entre estes dois grupos.

Endotérmicos e ectotérmicos

As pessoas, ursos polares, pinguins e marmotas, assim como a maioria das aves e mamíferos, são animais endotérmicos. Iguanas e cascavéis, como a maioria dos outros répteis – juntamente com a maioria dos peixes, anfíbios e invertebrados – são animais ectotérmicos. Os animais endotérmicos geram a maior parte do calor que necessitam internamente. Quando está frio, eles aumentam a produção de calor metabólico para manter sua temperatura corporal constante. Por isso, a temperatura interna do corpo de um endotérmico é mais ou menos independente da temperatura do ambiente. Este padrão é mostrado no gráfico abaixo: o rato mantem uma temperatura constante próxima a 37ºC, ao longo da ampla faixa de temperatura externa.

Gráfico da temperatura interna do rato em diferentes temperaturas exteriores. Eixo x: temperatura externa em graus Celsius, de 0 a 40 graus. Eixo Y: temperatura animal interna em graus Celsius, de 0 a 40 graus.

A temperatura corpórea do rato fica próximo a 37 graus Celsius por toda a faixa de temperatura de 5 a 42 graus Celsius, havendo um declínio abaixo de 5 graus Celsius e um aumento acima de 42 graus Celsius. Ou seja, permanece como uma linha reta horizontal em 37 graus Celsius durante a maior parte do intervalo da temperatura externa. O rato é endotérmico; ele gera calor metabólico para manter a temperatura interna do corpo..

Por outro lado, a temperatura corporal dos ectotérmicos depende principalmente das fontes externas de calor. Isto é, a temperatura corporal do ectotérmico sobe ou desce conforme a temperatura do ambiente circundante. Embora gerem algum calor metabólico —como todos os seres vivos— os ectotérmicos não conseguem elevar sua produção de calor para manter uma temperatura interna específica.

Gráfico da temperatura interna da cobra em diferentes temperaturas externas.

Eixo x: temperatura externa em graus Celsius, de 0 a 40 graus

Eixo Y: temperatura animal interna em graus Celsius, de 0 a 40 graus

A temperatura corpórea da cobra varia com a temperatura externa, formando uma linha inclinada de 5 graus Celsius a 42 graus Celsius, aproximadamente.

A cobra é ectotérmica; sua temperatura corporal muda com a temperatura do seu ambiente.

Gráfico da temperatura interna da cobra em diferentes temperaturas externas. Eixo x: temperatura externa em graus Celsius, de 0 a 40 graus. Eixo Y: temperatura animal interna em graus Celsius, de 0 a 40 graus.

A temperatura corpórea da cobra varia com a temperatura externa, formando uma linha inclinada de 5 graus Celsius a 42 graus Celsius, aproximadamente. A cobra é ectotérmica; sua temperatura corporal muda com a temperatura do seu ambiente.

Na verdade, a maioria dos ectotérmicos regula sua temperatura corporal em algum grau. Eles só não o fazem produzindo calor. Em vez disso, eles usam outras estratégias, como o comportamento —buscar o sol, sombra, etc.— para encontrar ambientes cujas temperaturas sejam compatíveis com as suas necessidades. Algumas espécies tornam tênue a linha entre os endotérmicos e ectotérmicos. Os animais que hibernam, por exemplo, são endotérmicos quando estão ativos mas assemelham-se aos ectotérmicos quando estão hibernando. Grandes peixes como o atum e tubarões geram e conservam calor suficiente para aumentar sua temperatura corporal acima da água circundante, mas ao contrário de um verdadeiro endotérmico, eles não mantêm uma temperatura corporal específica. Até mesmo alguns insetos podem usar o calor metabólico para aumentar a temperatura corporal contraindo os músculos do voo! 

Outro ponto importante: como regra geral, os endotérmicos têm taxas metabólicas consideravelmente maiores que os ectotérmicos. Isso se deve ao fato de eles precisarem queimar grandes quantidades de combustível —alimento— para manter sua temperatura corporal interna.

Por que regular a temperatura?

Há alguns limites básicos da temperatura de sobrevivência para a maioria dos animais. Em uma extremidade, a água congela a 0ºC, para formar gelo. Se cristais de gelo se formarem no interior de uma célula, geralmente eles romperão suas membranas. Na outra extremidade, as enzimas e outras proteínas celulares normalmente começam a perder sua função e estrutura, ou se desnaturar, em temperaturas acima de 40ºC.

Por que muitos organismos — incluindo eu e você — mantêm a temperatura corporal em um intervalo mais estreito do que isso? A taxa das reações químicas muda com a temperatura porque a temperatura afeta a taxa de colisões entre as moléculas e também porque as enzimas que controlam as reações são sensíveis à temperatura. As reações tendem a ser mais rápidas com a temperatura mais elevada até certo ponto, além disso a taxa cai acentuadamente conforme as enzimas se desnaturam. Cada espécie tem sua própria rede de reações metabólicas e conjunto de enzimas, que são otimizados em uma determinada faixa de temperatura. Mantendo a temperatura do corpo nesse intervalo de interesse, os organismos certificam-se de que suas reações metabólicas sejam executadas corretamente.

Equilíbrio da temperatura

Tanto para os endotérmicos como para os ectodérmicos, a temperatura corporal depende do equilíbrio entre o calor gerado pelo organismo e o calor trocado com — perdido para ou adquirido do — ambiente. O calor sempre se move dos objetos mais quentes para os mais frios, conforme descrito na Segunda Lei da Termodinâmica. Existem três maneiras principais que um organismo pode trocar calor com o seu ambiente: radiação, condução — juntamente com convecção — e evaporação.

Luz do sol sobre um cão sentado no chão. A radiação está sendo absorvida e refletida pelo cão, a convecção está acontecendo no ar ao redor do cão, a evaporação está ocorrendo na superfície do cão e a condução de calor ocorre entre o cão e o chão.

Luz do sol sobre um cão sentado no chão. A radiação está sendo absorvida e refletida pelo cão, a convecção está acontecendo no ar ao redor do cão, a evaporação está ocorrendo na superfície do cão e a condução de calor ocorre entre o cão e o chão.

  • Radiação: A radiação é a transferência de calor de um objeto mais quente para um mais frio por radiação infravermelha, isto é, sem contato direto. 
  • Condução: O calor pode ser transferido entre dois objetos em contato direto por meio da condução. A condução de calor entre a pele e o ar ou água circundante é feita pela convecção, na qual o calor é transferido por meio do ar ou líquido em movimento. 
  • Evaporação: A vaporização da água de uma superfície leva à perda de calor — por exemplo, quando o suor evapora da sua pele.

Estratégias de controle de temperatura

BNCC. EMCiencias: EM13CNT207, EM13CNT306

Disponível em: Khan Academy

Principais pontos

  • Muitos animais regulam sua temperatura corporal através do comportamento, como buscar sol ou sombra ou aconchegando-se para receber calor.
  • Animais endotérmicos podem alterar a produção de calor metabólico para manter a temperatura corporal usando tanto a termogênese com tremor, quanto a sem tremor.
  • vasoconstrição— contração— e a vasodilatação—expansão—dos vasos sanguíneos da pele podem alterar a troca de calor de um organismo com o ambiente.
  • Uma troca de calor contracorrente é uma disposição dos vasos sanguíneos no qual o calor flui do sangue mais aquecido para o mais resfriado, geralmente reduzindo a perda de calor.
  • Alguns animais usam isolamento corporal e mecanismos evaporativos, como o suor e o arquejo, na regulação da temperatura corporal.

Introdução

Por que os lagartos tomam banho de sol? Por que as lebres tem orelhas enormes? Por que os cães ficam ofegantes quando estão muito quentes? Os animais tem maneiras diferentes de regular a temperatura do corpo! Essas estratégias termorreguladoras permitem que eles vivam em ambientes diferentes, incluindo alguns bastante extremos. Os ursos polares e os pinguins, por exemplo, mantêm a alta temperatura corporal em suas geladas casas nos polos, enquanto os ratos do deserto, as iguanas e as cascavéis sobrevivem no Vale da Morte, onde as temperaturas no verão são acima de 38ºC.

Esquerda, urso polar pulando entre campos de gelo. Direita, lagarto em Death Valley.

Esquerda, urso polar pulando entre campos de gelo. Direita, lagarto em Death Valley.Esquerda, urso polar pulando entre pedras de gelo; direita, lagarto no Vale da Morte. Crédito de imagem: esquerda, Polar bear jumping por Arturo de Frias Marques, CC BY-SA 4.0; direita, Lézard à queue de zèbre por Jon Sullivan, domínio público

Estratégias comportamentais

Como você regula sua temperatura corporal usando seu comportamento? Em um dia quente, você pode nadar, beber água gelada ou sentar-se à sombra. Em um dia frio, você coloca um casaco, senta-se em um canto mais quente ou come uma tigela de sopa quentinha. Animais não humanos têm tipos semelhantes de comportamentos. Por exemplo, os elefantes borrifam água em si mesmos para se refrescarem em um dia quente e muitos animais procuram por sombras quando sua temperatura está elevada. Por outro lado, lagartos geralmente se esticam em rochas quentes para se aquecerem, e os pinguins ficam juntinhos para reter calor. Alguns animais ectotérmicos são tão bons em usar estratégias comportamentais para regular a temperatura, que eles conseguem mantê-la numa faixa estável, mesmo sem o calor produzido pelo metabolismo.

Acima à esquerda, iguana se aquecendo ao sol sobre uma rocha; acima à direita,
elefante se borrifando com água; abaixo à esquerda, galinhas criadas livremente sentadas à sombra sob uma lona em um campo; abaixo à direita, filhotes de pinguim se amontoando para se aquecerem.

Acima à esquerda, iguana se aquecendo ao sol sobre uma rocha; acima à direita, elefante se borrifando com água; abaixo à esquerda, galinhas criadas livremente sentadas à sombra sob uma lona em um campo; abaixo à direita, filhotes de pinguim se amontoando para se aquecerem.Exemplos de regulação comportamental de temperatura, acima a esquerda: aquecer-se ao sol, resfriar-se com água, procurar a sombra, e amontoar-se para se aquecer. Créditos de imagem (a partir da esquerda superior): Iguana por Skeeze, domínio público; Elephant cooling off by Jean Beaufort, domínio público; Chickens seeking shade por Geoffrey McKim, CC BY-SA 2.0Penguin chicks huddling, por David Stanley, CC BY 2.0

Aumentando a produção de calor – termogênese

Os endotérmicos tem vários meios de aumentar a produção de calor metabólico, ou termogênese, em resposta ao ambiente frio. Uma maneira de produzir calor metabólico é através da contração muscular — por exemplo, você treme incontrolavelmente quando está com muito frio. Tanto os movimentos deliberados — como esfregar as mãos ou dar uma caminhada — quanto o tremor, aumentam a atividade muscular e aceleram a produção de calor. A termogênese sem tremor fornece outro mecanismo para a produção de calor. Esse mecanismo depende de tecido adiposo especializado, conhecido como gordura marrom, ou tecido adiposo marrom. Alguns mamíferos, especialmente os hibernadores e os filhotes têm muita gordura marrom. A gordura marrom contém muitas mitocôndrias com proteínas especiais que as deixam liberar energia de moléculas combustíveis, diretamente como calor, ao invés de canalizá-la para a formação do transportador de energia ATP.

Controlando perda e ganho de calor

Os animais também possuem estruturas corporais e respostas fisiológicas que controlam o quanto de calor eles irão trocar com o ambiente:

  • Mecanismos do sistema circulatório, como alterar o padrão do fluxo sanguíneo
    • Isolamento, como pelos, gordura ou penas
    • Mecanismos de evaporação, como ofegar e suar

Mecanismos circulatórios

A superfície corporal é o principal local de troca de calor com o meio ambiente. Controlar o fluxo de sangue da pele é uma forma importante de controlar a taxa de perda – ou de ganho – de calor para os arredores.

Vasoconstrição e vasodilatação

Em animais endotérmicos, o sangue quente do centro do corpo geralmente perde calor para o ambiente quando flui próximo à pele. A diminuição do diâmetro dos vasos sanguíneos que suprem a pele, um processo chamado de vasoconstrição, reduz o fluxo sanguíneo e ajuda a reter calor.

Uma rede de capilares próximos à superfície da pele é alimentada por um vaso sanguíneo que pode ser vasoconstrito - estreitado - ou vasodilatado - expandido - para controlar o fluxo de sangue através dos capilares. Quando está frio, o vaso sanguineo é vasoconstrito, e o sangue vindo do coração não entra na rede capilar, ao contrário, percorre um vaso sanguineo alternativo "um desvio" que permite que ele evite a superfície da pele. Assim, o sangue que retorna ao coração não perde muito calor.

Uma rede de capilares próximos à superfície da pele é alimentada por um vaso sanguíneo que pode ser vasoconstrito – estreitado – ou vasodilatado – expandido – para controlar o fluxo de sangue através dos capilares. Quando está frio, o vaso sanguineo é vasoconstrito, e o sangue vindo do coração não entra na rede capilar, ao contrário, percorre um vaso sanguineo alternativo “um desvio” que permite que ele evite a superfície da pele. Assim, o sangue que retorna ao coração não perde muito calor.

Por outro lado, quando um animal endotérmico precisa perder calor — por exemplo, depois de correr intensamente para fugir de um predador — esses vasos sanguíneos expandem, ou dilatam. Esse processo é chamado de vasodilatação. A vasodilatação aumenta o fluxo sanguíneo para a pele e ajuda o animal a perder parte do calor excedente do corpo para o ambiente.

Uma rede de capilares próxima à superfície da pele é alimentada por um vaso sanguíneo que pode ser vasoconstrito - estreitado - ou vasodilatado - expandido - para controlar o fluxo sanguíneo através dos capilares. Quando está quente, este vaso sanguíneo é vasodilatado e o sangue vindo do coração entra na rede de capilares,  ao invés de entrar em um vaso sanguíneo alternativo "desvio" que o deixaria evitar a superfície da pele. A medida que passa próximo à pele, o sangue perde calor para o ambiente mais fresco e estará resfriado quando deixar a rede de capilares e voltar para o coração.

Uma rede de capilares próxima à superfície da pele é alimentada por um vaso sanguíneo que pode ser vasoconstrito – estreitado – ou vasodilatado – expandido – para controlar o fluxo sanguíneo através dos capilares. Quando está quente, este vaso sanguíneo é vasodilatado e o sangue vindo do coração entra na rede de capilares, ao invés de entrar em um vaso sanguíneo alternativo “desvio” que o deixaria evitar a superfície da pele. A medida que passa próximo à pele, o sangue perde calor para o ambiente mais fresco e estará resfriado quando deixar a rede de capilares e voltar para o coração.

Mamíferos peludos geralmente possuem uma rede de vasos sanguíneos especial para a troca de calor localizado em áreas sem pelos. Por exemplo, lebres tem orelhas bastante longas com muitos vasos sanguíneos que permite perder calor rapidamente. Essa adaptação ajuda-os a sobreviver no deserto quente.

Imagem de uma lebre no deserto e uma aproximação em primeiro plano de sua orelha, mostrando a rede de vasos sanguíneos.

Imagem de uma lebre no deserto e uma aproximação em primeiro plano de sua orelha, mostrando a rede de vasos sanguíneos. Crédito de imagem: modificada de Black-tailed jackrabbit by K. Schneider, CC BY-NC 2.0

Alguns ectotérmicos também regulam o fluxo sanguíneo para a pele como uma maneira de conservar calor. Por exemplo, iguanas reduzem o fluxo sanguíneo para a pele quando nadam em águas geladas para ajudar a manter o calor que absorveram quando estiveram na terra.

Troca de calor contracorrente

Muitas aves e mamíferos apresentam trocas de calor contracorrente, que são adaptações do sistema circulatório que permitem que o calor seja transferido dos vasos sanguíneos contendo sangue mais quente para aqueles contendo sangue mais frio. Para entender como isso funciona, vamos ver um exemplo. Na perna de uma ave pernalta, a artéria que percorre a perna carrega sangue aquecido do corpo. A artéria é posicionada bem ao lado de uma veia que carrega sangue frio que vem do pé. O sangue quente descendente passa muito do seu calor para o sangue frio ascendente, por condução. Isso significa que menos calor será perdido no pé devido à redução na diferença de temperatura entre o sangue mais frio e os seus arredores e que o sangue que retorna à área central do corpo esteja relativamente aquecido, prevenindo o centro do corpo de esfriar.

Diagrama de disposição de vaso sanguíneo na perna de uma ave limícola.

1. Sangue arterial quente do centro do corpo desce a perna por uma artéria.

2. O sangue arterial transfere calor para o sangue venoso frio que volta do pé.

3. O sangue arterial está agora mais frio e perderá menos calor para o ambiente à medida que for para o pé.

4. O sangue venoso frio, subindo do pé, é aquecido antes que retorne para o centro do corpo.

Diagrama de disposição de vaso sanguíneo na perna de uma ave limícola.

  1. Sangue arterial quente do centro do corpo desce a perna por uma artéria.
  2. O sangue arterial transfere calor para o sangue venoso frio que volta do pé.
  3. O sangue arterial está agora mais frio e perderá menos calor para o ambiente à medida que for para o pé.
  4. O sangue venoso frio, subindo do pé, é aquecido antes que retorne para o centro do corpo.

Crédito da imagem: modificada de Counter current exchange in birds by Ekann, CC BY-SA 4.0; a imagem modificada está licenciada sob uma licença CC BY-SA 4.0

Isolamento

Outra maneira de minimizar a perda de calor para o ambiente é através do isolamento. As aves usam penas e a maioria dos mamíferos usam cabelos ou pelos, para manter uma camada de ar perto da pele e reduzir e transferência de calor para o meio ambiente. Mamíferos marinhos como as baleias usam a banha, uma grossa camada de gordura, como uma forma eficiente de isolamento. Em climas frios, as aves “afofam” suas penas e os mamíferos seus pelos, para aumentar a camada de isolamento. O mesmo acontece com as pessoas — arrepios — que não são tão eficientes devido ao pouco pelo que temos. Por isso, a maioria de nós coloca uma blusa!

Esquera, um pombo afofa suas penas para aquecer-se; direita, arrepios em seres humanos são uma tentativa de aumentar o isolamento prendendo ar próximo à pele - mas não são muito efetivos devido à falta de pelos!

A esquerda, um pombo afofa suas penas para se aquecer; a direita, os arrepios em seres humanos são uma tentativa de aumentar o isolamento prendendo o ar próximo à pele – mas não são muito efetivos devido a falta de pelos! Créditos da imagem: esquerda, Parrow cold big bird by Mike Sandoval, domínio público; direita, Goose bumps, by Ildar Sagdejev, CC BY-SA 3.0

Mecanismos evaporativos

Animais terrestres geralmente perdem água pela pele, boca e nariz pela evaporação para o ar. A evaporação remove calor e atua como mecanismo de resfriação. Por exemplo, muitos mamíferos podem ativar mecanismos como suor, ou ficar ofegante, para aumentar o resfriamento do corpo pela evaporação em resposta à altas temperaturas corpóreas.

  • Durante a transpiração, as glândulas da pele secretam água contendo vários íons – os “eletrólitos”, que reabastecemos com bebidas esportivas. Apenas os mamíferos suam.
  • Quando ofegante, um animal respira rápida e superficialmente com a boca aberta para aumentar a evaporação das superfícies da boca. Ambos os mamíferos e as aves ofegam, ou pelo menos usam estratégias de respiração semelhantes para esfriar.

Em algumas espécies, como os cachorros, o resfriamento evaporativo através do ofegar, combinado com a troca de calor contracorrente, auxiliam a evitar o superaquecimento do cérebro!

Esquerda, lobo ofegando para perder calor; direita, gotas de suor em um braço humano.

Esquerda, lobo ofegando para perder calor; direita, gotas de suor em um braço humano. Créditos das imagens: esquerda, Panting wolf by Mark Dumont, CC BY-NC 2.0; direita, Photo of sweating at Wilson Trail Stage 1 by Minghong, CC BY-SA 3.0