O organismo mantém uma troca continua de calor com o ambiente no seu entorno. O balanço de calor de um determinado organismo inclui diversas vias de ganho e perda de calor.
-Radiação: absorção ou emissão de energia. As fontes de radiação no ambiente incluem o Sol, o céu (luz difundida) e a paisagem (que irradia o calor que ela absorve do Sol).
-Condução: transferência da energia cinética do calor entre substancias em contato uma com a outra. A água, por ser mais densa que o ar, conduz o calor 20 vezes mais rápido do que o ar.
-Convecção: movimento do calor em líquidos e gases em temperaturas diferentes.
-Evaporação: afeta o movimento do calor.
Todos os ganhos e perdas de calor de um organismo constituem seu balanço térmico.
A radiação, convecção e a condução podem tanto adicionar quanto remover calor dos organismos.
A evaporação e o metabolismo influenciam a temperatura do corpo, o balanço de calor está ligado aos balanços de água, alimento e sais do organismo.
A radiação, condução, convecção e a evaporação determinam o ambiente térmico dos organismos, especialmente nos habitats terrestres. No ar parado, os organismos são envolvidos por camadas limite que impedem a troca de calor e vapor d’água com o ambiente.
Temperaturas mais altas geralmente aumentam a taxa de processos biológicos. Uma energia térmica mais alta também faz com que as proteínas e outras moléculas biológicas se desdobrem e percam sua função, estabelecendo um limite superior para a tolerância à temperatura.
A maior parte dos organismos não pode sobreviver a temperaturas muito superiores a 45ºC, exceto alguns organismos, como as bactérias termofílicas que crescem em fontes de água quente, até 110ºC. Elas toleram estas temperaturas porque suas proteínas são quimicamente projetadas para gerar poderosas forças de atração que mantêm as moléculas unidas.
Nos ambientes frios, os organismos resistem a temperaturas congelantes mantendo metabolicamente as temperaturas corporais elevadas pela redução do ponto de congelamento de seus fluidos corporais com glicerol ou glicoproteinas, ou pelo super resfriamento de seus fluidos corporais.
A manutenção de condições internas constantes, chamada de homeostase, depende de respostas de retroalimentação negativa. Os organismos sentem as variações em seus ambientes internos e respondem de forma a retornar aquelas condições ao ponto de funcionamento.
A homeostase consome energia quando um gradiente entre as condições internas e externas precisa ser mantido. Por exemplo, endotérmicos devem gerar calor metabolicamente para contrabalançar a perda de calor para as suas vizinhanças mais frias.
O oxigênio se difunde muito lentamente para atingir os tecidos a mais do que um milímetro da superfície do organismo. Os grandes animais resolveram esse problema conduzindo ar diretamente até os tecidos através de um sistema traqueal multirramificado (insetos) ou transportando oxigênio difundido em fluidos circulantes através do corpo. As proteínas agregadoras de oxigênio, como a hemoglobina, servem de compensação para a baixa solubilidade do oxigênio na água.
A assimilação de oxigênio por organismos aquáticos é grandemente facilitada por uma circulação contracorrente de sangue através das brânquias numa direção oposta àquela da água que flui pelas superfícies externas das brânquias. Desta forma, a circulação contracorrente mantém altos gradientes de concentração de oxigênio da água circundante. Os arranjos contracorrente são também usados para reter calor dentro do corpo.
A maioria dos organismos funciona melhor dentro de um intervalo estreito de condições ambientais. Esses ótimos podem ser deslocados pela evolução para combinar melhor com as condições ambientais dentro das quais o organismo vive. Isto é frequentemente executado pela alteração da estrutura e pela quantidade das enzimas responsáveis pelo controle dos processos metabólicos.
Acima de tudo, a adaptação ao ambiente físico depende de realizar compromissos entre funções opostas para aumentar tanto as chances de sobrevivência do individuo quanto sua produtividade num determinado ambiente.
Os vertebrados, assim como outros organismos, são principalmente compostos por água. Solutos inorgânicos e orgânicos estão dissolvidos na água e os complexos processos bioquímicos que tornam os organismos auto-sustentáveis requerem regulação do conteúdo de água e das concentrações de solutos em seus tecidos e em suas células.
A desaminação de proteínas durante o metabolismo produz amônia que é tóxica. Os organismos desenvolveram formas de eliminar os excretas nitrogenados. A amônia por ser solúvel em água é a forma como é eliminada por vertebrados aquáticos. Os vertebrados terrestres precisam eliminar estes excretas de outra forma, já que não possuem água suficiente a disposição.
Os mamíferos convertem amônia em uréia, que não é tóxica e é muito solúvel, com isso eles eliminam a uréia sem perder excesso de água.
Organismos também podem eliminar os excretas em forma de acido úrico, este não é muito solúvel e se combina com íons para formar sais de urato que se precipitam na cloaca, assim a uricotelia é muito econômica em termos de água.
A temperatura afeta os processos bioquímicos que sustentam os vertebrados, sendo os mecanismos termorreguladores muito comuns.
Alguns peixes e anfíbios mantêm uma diferença de temperatura entre seus corpos e a água ao seu redor. Atuns e tubarões nadam rapidamente, apresentando temperaturas em seus músculos que estão 10ºC ou mais acima da temperatura da água.
Os vertebrados terrestres tem a capacidade de regular a temperatura de seu corpo. Os ectotermos dependem de fontes externas de calor para sua termorregulação, equilibrando o calor ganho e perdido por meio de radiação, condução convecção e evaporação. Os endotermos usam calor produzido metabolicamente e manipulam sua exposição ao Sol para equilibra as taxas de produção e perda de calor.
A termorregulação endotérmica confere uma considerável independência das condições ambientais, mas é energeticamente cara.
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