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Esfuerzos de último momento para mantener la homeostasis térmica

Esfuerzos de último momento para mantener la homeostasis térmica



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Hoy estaba en la sala de vapor del gimnasio y se me ocurrió una idea: ¿realmente he frustrado todos los mecanismos posibles para mantener la homeostasis térmica?

Hay sudoración, que se frustra porque la atmósfera de la sala de vapor está lo más cerca posible del 100% de humedad, por lo que casi no hay enfriamiento por evaporación.

Hay convección, que se frustra porque la temperatura ambiente está por encima de la temperatura corporal normal.

Y no puedo deshacerme del calor exhalando, porque cada bocanada de aire que inhalo ya está por encima de la temperatura corporal normal.

Creo que, eventualmente, debería entrar en hipertermia, pero además de lo anterior, ¿hay algún otro intento desesperado para bajar la temperatura central que mi cuerpo pueda soportar?


Otro factor en juego aquí es el sistema cardiovascular. Biro, Masudo, et al (2003) escribieron un artículo sobre los beneficios de la inducción de vasodilatación sistémica para aquellos con insuficiencia cardíaca congestiva. Esto puede ser una adaptación a corto plazo del cuerpo derivada de la capacidad reducida para sudar en esas condiciones, o puede ser un presagio de los cambios circulatorios más serios que se describen a continuación.

Epstein y Roberts (2011) explican cómo los resultados finales de un golpe de calor (que no es el fenómeno que está describiendo, pero una sauna puede inducir algunas de las características de estas mismas vías) pueden causar un colapso circulatorio debido a una sobrecarga inicial de el sistema circulatorio para compensar así como la activación de ciertas proteínas de choque térmico.

Hay muchas otras referencias sobre fisiología de la sauna, pero muchas no están en revistas basadas en evidencia, por lo que puede tomar sus propias decisiones al respecto.

Un factor que no encontré mencionado explícitamente fue la tasa metabólica basal. Probablemente sea seguro asumir que el cuerpo limitará sus propios procesos y reacciones que producen calor. No tengo claro hasta qué punto factores como el nivel de interleucinas, etc., jugarían un papel como lo hacen en la regulación de la fiebre.


El hígado es un órgano dentro del sistema digestivo y es responsable de mantener los niveles de azúcar en la sangre como parte de la homeostasis. Después de una comida abundante, el hígado convierte la glucosa extra en glucógeno, un polisacárido que almacena glucosa. Una hormona llamada insulina es producido por el páncreas estimula la producción de glucógeno. Cuando los niveles de glucosa en la sangre bajan, el hígado descompone el glucógeno en glucosa para que la sangre circule por todo el cuerpo. Una hormona llamada glucagón producido por el páncreas estimula este proceso. Todas las células del cuerpo requieren glucosa para que la respiración celular produzca energía.

El hígado recibe sangre del intestino delgado a través del vena porta hepática. Después de una comida abundante, la vena hepática transportaría sangre rica en glucosa desde el intestino delgado hasta el hígado. La sangre sale del hígado y regresa al corazón a través del vena hepática. Realizaremos una simulación para aprender más sobre el papel del hígado en el mantenimiento de los niveles de glucosa en sangre en relación con la homeostasis.

La siguiente tabla describe los sueros sanguíneos que analizará:

Suero Localización
A Arteria mesentérica (lleva sangre de la aorta al intestino delgado)
B Vena porta hepática (transporta sangre entre los intestinos y el hígado)
C Vena hepática (lleva la sangre del hígado al corazón)

Usaremos una prueba llamada Prueba de Benedict para determinar la cantidad de glucosa en cada ubicación. La prueba de Benedicts varía en color desde azul (sin glucosa) a naranja / rojo (mucha glucosa). Siga las instrucciones a continuación.

Procedimiento

Niveles de glucosa después de comer:

  1. Llene el vaso de precipitados grande hasta la mitad con agua del grifo. Coloque el vaso de precipitados encima de la placa calefactora. Encienda la placa caliente para crear un baño de agua caliente.
  2. Etiquete tres tubos de ensayo A1, B1 y C1 con un lápiz de cera
  3. Utilice la pequeña regla de plástico para marcar en el tubo de ensayo a 1 cm y 2 cm.
  4. Llene el tubo de ensayo A1 hasta la marca de 1 cm con suero A1 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  5. Llene el tubo de ensayo B1 hasta la marca de 1 cm con suero B1 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  6. Llene el tubo de ensayo C1 hasta la marca de 1 cm con suero C1 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  7. Coloque los tres tubos de ensayo en el baño de agua caliente al mismo tiempo.
  8. Calentar los tubos durante 5 minutos. Observe y registre cualquier cambio de color.
  9. Registre sus resultados en la siguiente tabla. Recuerde que el azul indica que no hay glucosa y el rojo / naranja indica la mayor cantidad de glucosa. Un color verde significa algo de glucosa.

Resultados

Preguntas

  1. ¿Qué vaso sanguíneo, la arteria del mesenterio, la vena porta hepática o la vena hepática contiene más glucosa después de comer?
  2. Explique por qué la vena porta hepática contiene más glucosa que la vena hepática después de comer.

Procedimiento

Niveles de glucosa antes de comer:

  1. Mantenga su baño de agua caliente desde el primer procedimiento.
  2. Etiquete tres tubos de ensayo A2, B2 y C2 con un lápiz de cera
  3. Utilice la pequeña regla de plástico para marcar en el tubo de ensayo a 1 cm y 2 cm.
  4. Llene el tubo de ensayo A2 hasta la marca de 1 cm con suero A2 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  5. Llene el tubo de ensayo B2 hasta la marca de 1 cm con suero B2 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  6. Llene el tubo de ensayo C2 hasta la marca de 1 cm con suero C2 y hasta la marca de 2 cm con reactivo de Benedict.
  7. Coloque los tres tubos de ensayo en el baño de agua caliente al mismo tiempo.
  8. Calentar los tubos durante 5 minutos. Observe y registre cualquier cambio de color.
  9. Registre sus resultados en la siguiente tabla. Recuerde que el azul indica que no hay glucosa y el rojo / organge indica la mayor cantidad de glucosa. Un color verde significa algo de glucosa.

Resultados

Preguntas

  1. ¿Qué vaso sanguíneo, la arteria del mesenterio, la vena porta hepática o la vena hepática contiene más glucosa antes de comer?
  2. Explique por qué la vena porta hepática contiene menos glucosa que la vena hepática antes de comer.

Una vez que haya registrado sus resultados, limpie los materiales. Asegurate que:

  • Apague y desenchufe el baño de agua caliente
  • Vierta el contenido de los tubos de ensayo por el fregadero.
  • Lave los tubos de ensayo y colóquelos en la gradilla para tubos de ensayo para que se sequen.

Homeostasis del yo

La inmunidad se trata generalmente como una respuesta activada: se activa desde un estado desactivado 16 durante una invasión. Sin embargo, el aumento de la actividad inmunológica es solo una de las diversas modalidades en las que opera un sistema inmunológico. Los sistemas inmunológicos pueden verse como ecosistemas de receptores, células, vías, mediadores químicos, mutualistas, invasores y más. Por lo tanto, estos ecosistemas inmunes mantienen la homeostasis de la salud al estar constantemente activos, evaluando, verificando y haciendo ajustes a través de una actividad inmune continua y normal, denominada inmunidad constituyente, como nuestros glóbulos blancos circulantes y la renovación de nuestras células cutáneas 16,17. La falta de una mayor actividad inmunológica en presencia de la microbiota asociada normalmente indica una tolerancia a ellos, en lugar de un sistema inmunológico inactivo. Este conglomerado normal de organismos, el holobionte de coral 8, posiblemente delimita el yo inmune 16.

El yo inmune del holobionte coralino puede considerarse comparable al vertebrado o la planta con sus mitocondrias y plástidos, aunque en una etapa mucho más temprana de coevolución. De manera similar a las plantas, la coevolución del holobionte de coral se ha producido bajo ineludibles fluctuaciones diarias y estacionales en condiciones abióticas. Para las plantas, esta existencia sedentaria ha asegurado el desarrollo necesario de un sistema finamente afinado, integrado y sensible para mantener la salud en presencia de múltiples tensiones, tanto bióticas como abióticas 18. De manera similar, el holobionte de coral, como los de otros organismos 19,20, es probable que se mantenga en equilibrio dinámico por un sistema inmunológico interconectado que promueve la salud y protege las asociaciones para una función óptima, modera a los comensales, elimina a los mutualistas sobreabundantes, degradados o que funcionan mal. 21 y adopta otras nuevas 14,22 cuando las circunstancias lo ameritan. Sin embargo, los límites de los sistemas inmunológicos de holobiontes de coral se están poniendo a prueba a medida que la aceleración del cambio climático modifica las condiciones abióticas de referencia y fomenta los extremos.


RESULTADOS

Participación de la facultad

A través de las dos encuestas en línea y varias presentaciones en conferencias y reuniones, una amplia gama de miembros de la facultad participó en el proceso Delphi utilizado para crear el HCF. En total, se recibieron comentarios escritos o en línea de 50 miembros de la facultad de fisiología diferentes de 21 estados, 2 provincias canadienses y el Reino Unido sobre todas las versiones del HCF (consulte la Tabla 4, algunos participantes de la facultad dieron su opinión más de una vez). Los participantes de la conferencia y los encuestados enseñan en los principales tipos de instituciones de educación superior (Tabla 4). Además de los participantes que dieron su opinión por escrito, & # x0223c30 participantes de la conferencia que asistieron a talleres o sesiones de carteles en la primavera de 2012 sobre HCF-2 y & # x0223c90 participantes de la conferencia que asistieron a un taller, simposio o presentación de carteles sobre HCF-3 en primavera 2013 tuvo la oportunidad de dar comentarios orales sobre estas versiones del HCF.

Cuadro 4.

Tipos de instituciones académicas de los docentes encuestados y participantes de conferencias

tipo de institucionEncuesta 1 (2011) HCF-1Sociedad de Anatomía y Fisiología Humana (2012) HCF-2Encuesta 2 (2013) HCF-3
Colegio comunitario de 2 años12213
Universidad de 4 años que otorga solo títulos BS / BA431
Institución de 4 años que otorga BS / BA y algunos títulos de posgrado1066
Universidad de investigación543
Escuela profesional (médica)722
Número de participantes de la facultad383615

Los encuestados de la facultad y los participantes de la conferencia enseñan fisiología en diferentes tipos de instituciones académicas en los Estados Unidos, Reino Unido (norte = 1) y Canadá (norte = 2). A los miembros de la facultad que respondieron a las encuestas y a los que participaron en el taller de la reunión anual de 2012 de la Sociedad de Anatomía y Fisiología Humana se les pidió que nombraran la institución donde enseñan. A los participantes de los otros talleres no se les preguntó su afiliación institucional.

Resultados de la encuesta 1 sobre HCF-1

Más del 80% de los 38 profesores encuestados clasificaron los 5 componentes críticos de HCF-1 como esenciales para la comprensión de la homeostasis para los estudiantes universitarios (también se muestran los porcentajes de la Tabla 5 de respuestas & # x0201dessential & # x0201c). De las 22 ideas constitutivas, 12 ideas constitutivas fueron calificadas como esenciales por & # x0003e50% de los encuestados. Los datos de respuesta Likert de 5 puntos de la encuesta están disponibles en http://physiologyconcepts.org/publications/.

Cuadro 5.

Datos de la encuesta 1 sobre la & # x0201cimportancia & # x0201d de los elementos HCF-1

Porcentaje de miembros de la facultad que clasificaron el artículo como & # x0201cEssential & # x0201d
I. El organismo mantiene un ambiente interno más o menos estable.92
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. El entorno interno del organismo difiere de su entorno externo.66
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. Las variables ambientales externas pueden cambiar.55
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. A medida que cambia el entorno externo, los procesos homeostáticos mantienen un entorno interno más o menos estable.76
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. Muchas variables del entorno interno se mantienen estables para mantener la función celular.76
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003mi. Solo se regula un número limitado de variables fisiológicas.14
I. Un cambio sustancial en una variable regulada resultará en una respuesta fisiológica para restaurarla a su rango normal.84
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. La variable regulada generalmente se mantiene estable mediante un sistema de retroalimentación negativa.79
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. El proceso de homeostasis requiere un sensor, un centro de control y un efector o efectores (los componentes de un sistema de retroalimentación negativa).82
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. En la mayoría de los casos, la respuesta compensatoria solo puede corregir parcialmente la perturbación de la variable regulada.16
II. Los procesos homeostáticos requieren un sensor (& # x0201c lo que no se puede medir no se puede regular & # x0201d) [84%]84
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. Los sensores detectan una variable regulada y responden transduciendo ese estímulo en una señal fisiológica diferente.61
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. Un sistema fisiológico puede utilizar una variedad de tipos de receptores sensoriales.47
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. Los receptores sensoriales pueden estar en diferentes lugares distantes del cuerpo.29
III. Los procesos homeostáticos requieren un centro de control.84
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. El centro de control incluye un integrador/ comparador y manipulador y dirige efector (es).37
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. El integrador/ compartimento recibe una señal del sensor.50
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. El integrador/ compartimento integra información de múltiples fuentes con respecto al rango normal de la variable regulada.42
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. Los sistemas fisiológicos tienen mecanismos para establecer el rango normal para una variable regulada (el llamado punto de ajuste).50
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003mi. El integrador/ compartimento determina la diferencia entre la señal de los sensores y el rango normal de la variable regulada.40
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003F. los manipulador centro de control utiliza esta diferencia para cambiar la actividad de los efectores.42
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003GRAMO. El centro de control puede estar distribuido (diferentes partes en diferentes lugares físicos).13
IV. Los procesos homeostáticos requieren efectores.91
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. Los efectores pueden ser células o tejidos, típicamente músculos (músculo liso, músculo cardíaco, músculo esquelético) o glándulas.82
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. Las variables manipuladas son el resultado de la acción de los efectores.53
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. La alteración de las variables manipuladas (por ejemplo, frecuencia cardíaca) da como resultado cambios en las variables reguladas (por ejemplo, presión arterial).71
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. Los valores de las variables manipuladas pueden caer dentro de un amplio rango fisiológico.32

Según los comentarios de los miembros de la facultad, se agregaron algunas palabras (en negrita) y se omitieron algunas palabras (tachado).

Los resultados de los datos de la encuesta de importancia de los miembros de la facultad de fisiología en octubre de 2011 llevaron a los cambios a HCF-1 que se muestran en la Tabla 5. El equipo del proyecto determinó que si & # x0003c30% de los miembros de la facultad (& # x0223c11 miembros de la facultad) clasificaron un elemento como & # x0201esencial, & # x0201d, ese elemento se omitiría o se reescribiría en la próxima versión. Según los comentarios de los miembros de la facultad, se agregaron algunas palabras (en negrita en la Tabla 5) y algunas palabras se omitieron (tachado en la Tabla 5). Cuatro de las veintidós ideas constitutivas de HCF-1 se incluyeron en esta categoría. Los encuestados consideraron que esos cuatro elementos eran precisos, pero se clasificaron como no esenciales para la fisiología de pregrado. Por ejemplo, la siguiente es una idea constitutiva en HCF-1: & # x0201c En la mayoría de los casos, la respuesta compensatoria solo puede corregir parcialmente la perturbación de la variable regulada. & # X0201d Solo el 16% de los miembros de la facultad clasificaron esta idea componente como & # x0201essential. & # x0201d Fue interesante notar que los miembros de la facultad en las facultades de 2 años y las facultades de medicina estaban de acuerdo y ninguno de ellos calificó esta idea como & # x0201cessential. & # x0201d Por lo tanto, esta idea precisa se omitió en las versiones posteriores del HCF. Otras tres ideas constitutivas también se eliminaron del marco en esta etapa por razones similares, como se indica en los tachados en la Tabla 5. Aunque se eliminaron de nuestro HCF para estudiantes de segundo año de pregrado, estos elementos podrían ser apropiados para un HCF en cursos escolares de nivel superior, de posgrado o profesionales.

Quince miembros de la facultad tuvieron sugerencias sustanciales cuando se les preguntó & # x0201c ¿qué cambios sugeriría? Por ejemplo, la frase & # x0201c variable manipulada & # x0201d en HCF-1 se omitió porque la mayoría de los miembros de la facultad en el campo no usaban ese término y, en las entrevistas con los estudiantes, muchos estudiantes no sabían lo que significaba este término.

Aportes de los participantes de la conferencia sobre HCF-2

En base a los comentarios de los participantes de la conferencia sobre HCF-2 en la primavera de 2012, se agregaron algunas ideas de componentes nuevos para mayor claridad (por ejemplo, & # x0201c El centro de control es parte del sistema endocrino y / o nervioso & # x0201d). El equipo del proyecto también siguió perfeccionando la redacción de cada elemento. A fines de 2012, HCF-3 tenía un número ampliado de ideas constituyentes que dieron como resultado un marco de 30 elementos (Tabla 6).

Cuadro 6.

Datos de la encuesta 2 sobre & # x0201cimportancia & # x0201d y & # x0201cddificultad & # x0201d de los elementos HCF-3

HCF-3Importancia relativa * Dificultad relativa percibida & # x02020
I. El organismo mantiene un ambiente interno estable frente a un ambiente externo fluctuante.5.003.31
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. El entorno interno del organismo difiere de su entorno externo.4.733.29
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. Las variables ambientales externas pueden cambiar.4.603.14
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. Un número limitado de variables (es decir, variables reguladas) del entorno interno se mantiene estable a través de procesos homeostáticos para mantener la función celular (si estas variables cambian demasiado, las células no pueden funcionar normalmente y pueden morir).4.643.36
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. No todas las variables que permanecen dentro de un rango normal a lo largo del tiempo son variables reguladas homeostáticamente (p. Ej., Hematocrito en sangre o testosterona).3.572.93
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003mi. Dependiendo del sistema particular, la variable regulada puede mantenerse dentro de un rango muy estrecho o dentro de un rango mucho más amplio.3.873.36
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003F. Los mecanismos homeostáticos (es decir, reguladores) operan todo el tiempo para determinar el valor de la variable regulada (no giran & # x0201con & # x0201d o & # x0201coff & # x0201d, no son como un & # x0201 interruptor de luz, & # x0201d, son como un & # x0201c mando de control de volumen & # x0201d).4.733.07
II. Un cambio sustancial en una variable regulada resultará en una respuesta fisiológica para restaurarla hacia su rango normal.4.873.14
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. La variable regulada se mantiene estable mediante un sistema de retroalimentación negativa.5.003.29
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. No todos los sistemas de retroalimentación negativa son homeostáticos.3.533.38
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. El proceso de respuesta a una perturbación requiere la acción de un sensor, un centro de control y un efector (los componentes de un sistema de retroalimentación negativa).4.933.14
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. El sensor, el centro de control y los efectores pueden estar físicamente lejos o cerca uno del otro en el cuerpo e incluso pueden existir en la misma celda.4.333
III. Los procesos homeostáticos requieren un sensor dentro del cuerpo (& # x0201c lo que no se puede medir no se puede regular & # x0201d).4.672.86
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. Los sensores detectan la variable regulada y responden transduciendo ese estímulo en una señal diferente.4.203
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. Los sensores responden dentro de un rango limitado de valores de estímulo.3.733.14
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. Los sensores generan una salida cuyo valor es proporcional a la magnitud de la entrada al sensor (es decir, el estímulo).3.803.14
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. Los sensores están constantemente activos (no solo activos cuando la variable regulada no está en el valor del punto de ajuste).4.272.93
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003mi. Un sistema de órganos puede usar una variedad de tipos de sensores (por ejemplo, quimiorreceptores, barorreceptores, mecanorreceptores, etc.) para regular las variables asociadas con ese sistema de órganos.4.403.14
IV. Los procesos homeostáticos requieren un centro de control (que incluye un integrador).4.863.07
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. El centro de control es parte del sistema endocrino y / o nervioso.4.332.86
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. El integrador recibe una señal del sensor.4.672.71
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. El integrador es un componente del centro de control.4.532.93
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003D. Los sistemas fisiológicos tienen un rango normal para una variable regulada (el llamado punto de ajuste).4.933.08
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003mi. El integrador determina la diferencia entre la señal de los sensores y el punto de ajuste (es decir, el rango normal de la variable regulada).4.532.86
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003F. El centro de control utiliza el valor de la diferencia (entre la señal del sensor y el punto de ajuste) para calcular un cambio en las señales que van a los efectores (es decir, los objetivos).4.202.93
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003GRAMO. En algunas circunstancias y en algunos sistemas, es posible que cambie el punto de ajuste.3.933.14
V. Los procesos homeostáticos requieren órganos o tejidos diana, es decir, & # x0201cefectores & # x0201d.4.873.15
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003A. Los objetivos fisiológicos o efectores son células, tejidos u órganos (a diferencia de las & # x0201 moléculas cefectoras & # x0201d en bioquímica).4.712.86
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003B. La acción de los objetivos (es decir, efectores) provoca cambios físicos o químicos que alteran la variable regulada.4.673
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003C. Los efectores dan como resultado cambios en las variables no reguladas que, a su vez, alteran la variable regulada (p. Ej., La variable regulada, la presión arterial, puede modificarse alterando la frecuencia cardíaca y la resistencia periférica, que no están reguladas).4.273.29

A las clasificaciones en escala Likert se les asignaron valores de 1 para 5, y estos fueron promediados para la comparación de elementos dentro del marco para evaluar la importancia relativa y la dificultad.

Resultados de la Encuesta 2 sobre HCF-3: Importancia

Los quince encuestados de la facultad de encuesta 2 Calificó por unanimidad el primer componente crítico como esencial (calificación de 5) y otorgó a los otros cuatro componentes críticos una calificación promedio de 4.6 o más. Esto reforzó los resultados de la encuesta anterior que indicaban la importancia de los cinco componentes críticos. Las puntuaciones medias de las ideas constituyentes oscilaron entre 3,53 y 5,00, lo que confirma el valor de incluir estos elementos en el marco.

El HCF

La versión final validada del marco conceptual para la homeostasis se muestra en la Tabla 7.

Cuadro 7.

Marco conceptual de la homeostasis 1

H1. El organismo mantiene un ambiente interno estable frente al ambiente externo fluctuante.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.1. El entorno interno del organismo difiere de su entorno externo.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.2. A medida que cambia el entorno externo, los procesos homeostáticos mantienen un entorno interno más o menos estable.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.3. Si las variables homeostáticas cambian demasiado, las células no pueden funcionar normalmente y pueden morir.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.4. Un número limitado de variables (es decir, variables reguladas) del entorno interno se mantienen estables mediante procesos homeostáticos para mantener la función celular. 3
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.5. Algunas variables permanecen dentro de un rango normal a lo largo del tiempo, pero no son variables reguladas homeostáticamente (p. Ej., Hematocrito en sangre o testosterona).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.6. Dependiendo del sistema particular, la variable regulada puede mantenerse dentro de un rango muy estrecho o dentro de un rango mucho más amplio.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.7. Los mecanismos homeostáticos (es decir, reguladores) operan todo el tiempo para determinar el valor de la variable regulada.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H1.8. Los mecanismos homeostáticos dependen de los recursos del entorno externo, lo que puede limitar la capacidad de la retroalimentación negativa para restaurar una variable a su rango normal.
H2. Cualquier cambio en una variable regulada (una perturbación) que resulte en una señal de error resultará en una respuesta fisiológica para restaurar la variable regulada hacia su rango normal.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H2.1. La variable regulada se mantiene estable mediante un sistema de retroalimentación negativa.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H2.2. No todos los sistemas de retroalimentación negativa son homeostáticos.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H2.3. El proceso de responder a una perturbación requiere la acción de un sensor, un centro de control y un efector (los componentes de un sistema de retroalimentación negativa).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H2.4. El sensor, el centro de control y los efectores pueden estar físicamente lejos o cerca uno del otro en el cuerpo e incluso pueden existir en la misma celda.
H3. Los procesos homeostáticos requieren un sensor dentro del cuerpo (& # x0201c lo que no se puede medir no se puede regular & # x0201d).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H3.1. Los sensores detectan la variable regulada y responden transduciendo ese estímulo en una señal diferente.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H3.2. Los sensores responden dentro de un rango limitado de valores de estímulo.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H3.3. Los sensores generan una salida cuyo valor es proporcional a la magnitud de la entrada al sensor (es decir, el estímulo).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H3.4. Los sensores están constantemente activos (no solo activos cuando la variable regulada no está en el valor del punto de ajuste o fuera de un rango & # x0201cnormal & # x0201d).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H3.5. Un sistema de órganos puede emplear una variedad de tipos de sensores (por ejemplo, quimiorreceptores, barorreceptores, mecanorreceptores, etc.) para regular las variables asociadas con ese sistema de órganos.
H4. Los procesos homeostáticos requieren un centro de control (que incluye un integrador).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.1. El centro de control es parte del sistema endocrino y / o nervioso.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.2. El integrador recibe una señal del sensor.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.3. El integrador es un componente del centro de control.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.4. Los sistemas fisiológicos tienen un rango normal para una variable regulada (el llamado punto de ajuste).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.5. El integrador determina continuamente la diferencia entre la señal de los sensores y el punto de ajuste (es decir, el rango normal de la variable regulada).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.6. El centro de control utiliza el valor de la diferencia (entre la señal del sensor y el punto de ajuste) para calcular un cambio en las señales que van a los efectores (es decir, objetivos).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H4.7. En algunas circunstancias y en algunos sistemas, es posible que cambie el punto de ajuste.
H5. Los procesos homeostáticos requieren & # x0201cefectores & # x0201d u órganos o tejidos diana.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H5.1. Los objetivos fisiológicos o efectores son células, tejidos u órganos (a diferencia de las & # x0201 moléculas cefectoras & # x0201d en bioquímica).
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H5.2. La acción de los efectores o dianas es la respuesta fisiológica que resulta en cambios físicos o químicos en el ambiente interno.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H5.3. La respuesta de los efectores determina el valor de la variable regulada.
& # x02003 & # x02003 & # x02003 & # x02003H5.4. La respuesta de los efectores puede resultar en cambios en las variables no reguladas que, a su vez, alteran la variable regulada. 4

Los organismos mantienen un entorno interno relativamente estable mientras viven en un entorno externo cambiante y una actividad interna variable. Las variables que están reguladas homeostáticamente son necesarias para la supervivencia de las células y la vida del organismo. La homeostasis es un proceso dinámico que involucra un sistema (s) de retroalimentación negativa que requiere un sensor, un controlador (integrador) y efectores (objetivos). Aunque otros mecanismos pueden contribuir a la homeostasis (incluidos los procesos de retroalimentación), este marco conceptual se limita al concepto de homeostasis a través de mecanismos de retroalimentación negativa, porque estos se encuentran con mayor frecuencia en fisiología de pregrado. Este marco aborda específicamente la homeostasis a nivel del organismo (por ejemplo, un animal) y no aborda la homeostasis celular o del ecosistema. 1 Ésta es la versión final del HCF. Las versiones anteriores se muestran en las Tablas 5 y 6. 2 De la ref. 31. 3 Las siguientes son ampliamente reconocidas y claramente establecidas como variables homeostáticamente reguladas en humanos: iones (H +, Ca 2+, K +) en líquido extracelular (no sangre), sangre CO2, O2, glucosa en sangre, presión arterial, osmolaridad sanguínea y temperatura corporal central (31). 4 Por ejemplo, la presión arterial es una variable regulada que puede modificarse alterando la frecuencia cardíaca y la resistencia periférica, que no están reguladas homeostáticamente.

Validación

Este equipo de proyecto examinó varios libros de texto de fisiología de pregrado, y los términos comúnmente utilizados en estos libros de texto, y que eran aceptables para los profesores encuestados (28, 31), se utilizaron luego en este marco conceptual (Tabla 7). La legibilidad de Flesch-Kincaid fue del nivel de grado 12.0, según la evaluación de MS Word.

Resultados de la Encuesta 2 sobre HCF-3: Dificultad

Al puntuar los 30 ítems en una escala Likert de & # x0201c muy difícil & # x0201d (1) a & # x0201cvery easy & # x0201d (5), el puntaje promedio de los profesores para 12 de los 30 ítems fue & # x022643.0, que es la demarcación entre ítems fáciles y difíciles. Por lo tanto, en promedio, los miembros de la facultad pensaron que 12 de los elementos eran difíciles de dominar para los estudiantes, mientras que 18 elementos se clasificaron en promedio como más fáciles de aprender para los estudiantes. Solo un componente crítico, & # x0201c Los procesos homeostáticos requieren un sensor dentro del cuerpo (& # x02018lo que no se puede medir no se puede regular '), & # x0201d recibió una puntuación de dificultad promedio por debajo de 3.0. Los miembros de la facultad indicaron que & # x0201c Los procesos homeostáticos requieren un centro de control (que incluye un integrador) & # x0201d fue el más desafiante de dominar para los estudiantes, ya que cinco de las siete ideas constituyentes asociadas con ese componente tenían puntajes promedio por debajo de 3.0.

La figura 1 muestra la relación entre la importancia de un ítem y su dificultad. Todos los ítems se consideraron importantes (& # x0003e3.0) y su dificultad varió de un promedio de 2,86 a 3,38 (Tabla 6). Algunos elementos se consideraron esenciales y relativamente fáciles, por ejemplo, componente H2.1 (Tabla 7), & # x0201c La variable regulada se mantiene estable mediante un sistema de retroalimentación negativa, & # x0201d es esencial (5 en una escala de 5 puntos, 5/5) y relativamente más fácil de entender (3.29 / 5). Otros elementos se consideraron importantes y más difíciles, por ejemplo, componente H3 (Tabla 7), & # x0201c Los procesos homeostáticos requieren un sensor dentro del cuerpo & # x02024 & # x02024 & # x02024, & # x0201d es importante (4.67 / 5) y relativamente difícil de entender (2.86 / 5).

Percepción de dificultad e importancia basada en encuesta 2 resultados de 15 miembros de la facultad de fisiología en versión 3 del marco conceptual de la homeostasis (HCF-3 Tabla 6). Los miembros de la facultad utilizaron una escala Likert de 5 puntos para evaluar la importancia y la dificultad percibida de los ítems en HCF-3. Componente H3 es un componente crítico (Tabla 7), mientras que componente H2.1 es una idea constitutiva (Tabla 7). los y-eje muestra dificultad, que se puede pensar en & # x0201cease of Understanding & # x0201d con & # x0201ceasy & # x0201d en la parte superior y más difícil en la parte inferior. los X-Eje representa importancia, donde 5.0 es esencial y todos los elementos están por encima de 3.0.


Ejercicio y temperatura corporal

A medida que su cuerpo convierte los alimentos en energía durante el ejercicio, produce calor como producto de desecho. Este calor adicional puede elevar la temperatura de su cuerpo por encima de los típicos 98.6 grados. Para mantener la homeostasis, los vasos sanguíneos de la piel se dilatan para permitir que fluya más sangre a la superficie de su cuerpo, donde dispersa el calor. No sentirás la vasodilatación, pero ciertamente te sentirás sudando. La evaporación del sudor y la exhalación de aire caliente también sirven para ayudar a enfriar su cuerpo y así mantener una temperatura constante.


Autocomprobación

Responda la (s) pregunta (s) a continuación para ver qué tan bien comprende los temas tratados en la sección anterior.

Preguntas de pensamiento crítico

  1. ¿Cómo ayuda la vasoconstricción a aumentar la temperatura central del cuerpo?
  2. How can the ingestion of food increase the body temperature?
  1. When blood flows to the outer layers of the skin or to the extremities, heat is lost to the environment by the mechanisms of conduction, convection, or radiation. This will cool the blood and the body. Vasoconstriction helps increase the core body temperature by preventing the flow of blood to the outer layer of the skin and outer parts of the extremities.
  2. The ingestion of food stimulates digestion and processing of the carbohydrates, proteins, and fats. This breakdown of food triggers glycolysis, the Krebs cycle, the electron transport chain, fatty acid oxidation, lipogenesis, and amino acid oxidation to produce energy. Heat is a byproduct of those reactions.

2. Materials and methods

2.1. Animals, field site and measuring conditions

Measuring location was an orchard on a farm in Gschwendt/Austria, middle Europe. On 5 days in 2 different years we investigated wasps (Vespula vulgaris y Polistes dominulus) foraging water on a rainwater barrel. In order not to impair their behaviour during foraging we refrained from marking the individuals. We presume at least about 15� water collecting individuals of Vespula and about 5� individuals of Polistes to be included in this study. One of the measuring days in August 2003 was one of the hottest days of the year, with ambient air temperatures (Ta) above 30 ଌ (

30� ଌ). On the other days we had moderate temperatures in the range of

20� ଌ. In addition to water foragers, Polistine wasps foraging nectar on raspberry and gathering sap on rhubarb, and another Vespine wasp, Dolichovespula saxonica, also foraging nectar on raspberry blossoms were measured for comparison.

2.2. Mediciones

The wasps were filmed during their complete foraging stay at the water barrel with an infrared camera (ThermaCam SC2000 NTS, FLIR) without disturbing them. The infrared camera was calibrated periodical by slotting in a self-constructed peltier driven reference source or an AGA1010 reference radiator of known temperature and emissivity (for details of calibration see Stabentheiner and Schmaranzer, 1987 Schmaranzer and Stabentheiner, 1988). Thermographic data were stored digitally with 14 bit resolution on a portable computer (DOLCH Flexpac-400-XG) at a rate of 3𠄵 frames s 𢄡 . Dolichovespula y Polistes foraging nectar and plant sap were measured solely in the shade at a rate of 25 frames s 𢄡 because the infrared camera AGA 782 SW, which we used at that time, was not appropriate for measurements in the sunshine.

To take into consideration the effects of ambient air temperature, solar radiation and air convection on the measurement site, we determined the insects’ operative (environmental) temperature (Tmi Bakken, 1976, 1980, 1992 Bishop and Armbruster, 1999). Freshly killed dead wasps (Vespula y Polistes) were fixed with needles on their wings about 1 cm above a wooden board beside the foraging wasps and measured simultaneously with them. During the measurements there were only a few foraging Polistes at the barrel, thus we did not catch and kill any for estimating the Tmi. We fetched these measurements of the Tmi at a later time with two individuals of Polistes in comparison with two Vespula to compensate for possible differences of air convection and other micro climatic effects between measurement days ( Fig. 1B ).

Thermograms of living wasps (A) and dead wasps fixed with needles (B) beside the foraging site of the wasps (top: Polistes, bottom: Vespula). (A) At an ambient temperature of 36.1 ଌ the body surface temperature of the water foraging Vespula on the left was Tthorax = 41.5, Tcabeza = 38.8, Tabdomen = 38.6 ଌ, and of the Polistes on the right was Tthorax = 39.7, Tcabeza = 36.7, Tabdomen = 38.8 ଌ. (B) Body temperature of dead Polistes on top left: Tthorax = 29.5, Tcabeza = 26.1, Tabdomen = 27.6 ଌ top right: Tthorax = 29.0, Tcabeza = 27.0, Tabdomen = 26.6 ଌ dead Vespula on bottom left: Tthorax = 30.9, Tcabeza = 29.3, Tabdomen = 29.3 ଌ bottom right: Tthorax = 29.8, Tcabeza = 28.5, Tabdomen = 26.1 ଌ at an ambient temperature of 21.6 ଌ. Left-hand rectangle: reference radiator between wasps: thermocouples for measurement of Ta (their warming by sunlight was compensated for by special calibrations).

The ambient air temperature (Ta) was measured near the foraging and dead wasps with NTC-sensors or thermocouples. The solar radiation was measured with a Dirmhirn-global radiation-pyranometer (range: 0.3𠄳.3 μm NP-42, NEO Inc.) or with a global radiation sensor (FLA613-GS mini spezial, AHLBORN) in the immediate vicinity of the insects. The temperature and radiation data were stored every 2 s with ALMEMO data loggers (AHLBORN). During body temperature calculation from the infrared thermograms they were automatically extracted from the logger files.

2.3. Data evaluation and statistics

The temperature of the three body parts, and of the water surface (in close vicinity to the spot where the wasps’ mouthparts were in contact with the wet substrate), was calculated from the infrared thermograms by means of the AGEMA Research software (FLIR) controlled by a self written Excel VBA-macro (Microsoft Corporation). Values of the body temperature during foraging were taken in regular intervals of about 3 s immediately after the landing of the insects until they took off. The surface temperatures of head (Thd), thorax (Tth) and abdomen (Tab) were calculated with an infrared emissivity of 0.97, determined for the honeybee cuticle (Stabentheiner and Schmaranzer, 1987 Schmaranzer and Stabentheiner, 1988 Kovac and Stabentheiner, 1999). Because the ThermaCam works in the long-wave infrared range (7.5� μm) the reflected radiation from the wasps’ cuticle produced only a small measurement error (0.2 ଌ for 1000 Wm 𢄢 ) which was compensated for. In this way we reached an accuracy of 0.7 ଌ for the body surface temperature of the wasps at a sensitivity of π.1 ଌ.

The gradient between the thorax and the ambient temperature (thorax temperature excess = Tthorax& # x02013Ta) is often used as a measure to judge the endothermic capability of insects. In sunshine, however, this is not a reliable measure of the endogenously generated temperature excess. Therefore, we compared the living wasps’ temperature excess of thorax, head and abdomen with that of the dead wasps (operative temperature excess = Δ(Tcuerpo& # x02013Ta) [living-dead wasps]).

The relationship between body temperature, temperature excess and Ta or solar radiation was described by simple linear regression and tested with an ANOVA. Data analysis and statistics were conducted using the Statgraphics package (Statistical Graphics Corporation) and ORIGIN software (OriginLab Corporation).


Sign-Reversals: Are they Allostatic or Homeostatic?

In considering the effects of repeated drug administrations and the development of drug tolerance, Dworkin (1993) described the widely held belief that even with very many administrations, drug effects sometimes diminish to zero but do not invert to the opposite direction. While we initially also espoused this view (Ramsay & Woods, 1997), we now recognize that there are instances where an underlying effector response persistently overcompensates for the effect of the disturbance in the continued presence of the drug. Chronically tolerant individuals can in fact exhibit persistent sign reversals (inversions) of the regulated variable in the opuesto direction to the initial drug effect despite the presence of maximal drug concentrations, indicating that these reversals are not rebound effects or instances of drug-withdrawal. Similar sign-reversal phenomena also occur with non-drug disturbances. Along with persistent activation of effectors and concurrent activation of opposing effectors, such phenomena challenge many of the assumptions underlying homeostatic regulation and have important implications for understanding allostasis.

To the best of our knowledge, this phenomenon was first termed a ‘sign-reversal’ in an investigation of the analgesic effects of μ-opioid receptor agonists (Bruins Slot, Pauwels, & Colpaert, 2002). Colpaert and colleagues (Bruins Slot & Colpaert, 1999 Bruins Slot et al., 2002 Colpaert, 1996 Colpaert & Fregnac, 2001) had developed a formal mathematical model that made the surprising and provocative prediction that under some parametric conditions, the effects caused by an input may reverse even as the input is maintained at a constant magnitude. They tested this prediction and observed that the analgesic effect of continuously administered fentanyl does in fact marcha atrás during the course of a prolonged, continuous administration as shown in Figure 5 (Bruins Slot et al., 2002, p. 177). In other words, the rats became hyperalgesic despite the continued administration of the opiate to maintain drug concentrations. The animals did not become fully tolerant to the analgesia as indicated by their return to near baseline (or control) levels as would be predicted by homeostatic models. Instead, they became excessively tolerant by exhibiting a persistent hyperalgesic overcorrection. 2

“Nociceptive threshold in rats at different times (hr, days) following the implantation of an osmotic pump releasing fentanyl. On day 0 of the experiment, rats were implanted subcutaneously with an osmotic pump that released 0.31 mg rat 𢄡 day 𢄡 of fentanyl (norte = 14) control animals (norte = 13) were implanted with a pump delivering 0.12 ml day 𢄡 of saline. Nociceptive thresholds were measured by the paw-pressure vocalization test before and at different time intervals after pump implantation. A 750 g cut-off value was used to prevent tissue damage. Results are expressed as the mean (± s.e.m.) paw pressure (in g) inducing vocalization. Differences between fentanyl-treated (closed circle) and saline-treated (open circle) (control) groups were determined with the Student’s t-test subsequent to two-way ANOVA *pagπ.05 **pagπ.01 ***pagπ.001.” [This figure and figure legend are reprinted with permission (Bruins Slot et al., 2002, p. 177)].

The authors emphasized that the hyperalgesic state was not a withdrawal effect resulting from discontinuation of the opioid or from a precipitated rebound effect as would occur with the administration of an opioid antagonist. This issue is critical to the current discussion because withdrawal and precipitated rebound effects are explicable within a homeostatic model of drug tolerance (e.g., Ramsay & Woods, 1997).

This sign-reversal phenomenon with opioids is often referred to as opioid-induced hyperalgesia and numerous reviews are available (Angst & Clark, 2006 Chu, Angst, & Clark, 2008 Lee, Silverman, Hansen, Patel, & Manchikanti, 2011 Ossipov et al., 2004 Ossipov, Lai, King, Vanderah, & Porreca, 2005 Ossipov, Lai, Vanderah, & Porreca, 2003). An overactive hyperalgesic response is believed to mediate the sign-reversal state of opioid-induced hyperalgesia (Célèrier, Laulin, Corcuff, Le Moal, & Simonnet, 2001). Mao (2002) and Vanderah and colleagues (2001) emphasize that the hyperalgesic overcompensation cannot be explained as a withdrawal effect (or ‘mini-withdrawal’) because the opioid concentrations are held constant during the continuous drug administration.

While clinical research on individuals with a history of opioid drug abuse has inherent limitations (e.g., non-random assignment to drug use history), this corpus of work nonetheless illustrates how these sign reversals are not easily explained by common homeostatic views of adaptation (Compton, 1994 Compton, Canamar, Hillhouse, & Ling, 2012 Compton, Charuvastra, & Ling, 2001 Ren, Shi, Epstein, Wang, & Lu, 2009). For example, Compton found that cold-pressor pain tolerance counter-intuitively decreases as methadone dose increases (1994). Chronic methadone users report maximal pain sensitivity at the time that they have the peak concentrations of the analgesic opioid (i.e., the increased pain sensitivity cannot be explained as a withdrawal effect from a waning drug concentration), and this is thought to be indicative of an over-activated corrective response. As another example, opiate addicts continue to make hyperalgesic responses, despite being abstinent from opioids for at least 5 months, suggesting that these responses are persistent and not easily deactivated even though the initial eliciting perturbation is no longer present (Ren et al., 2009).

A long-standing belief about drug addiction is that drug-dependent individuals who stop taking their drug become increasingly motivated to re-administer the drug to prevent or ameliorate drug withdrawal (e.g., Baker, Piper, McCarthy, Majeskie, & Fiore, 2004). In an allostasis model, aversive sign-reversal states that exist in the presence of maintained drug concentrations can motivate increased drug consumption, and this argument has been made by others to explain drug taking in human addicts (Compton, 1994 White, 2004). While tolerance represents a homeostatic balance between drug effect and effector adaptations that is motivationally neutral (until drug concentrations wane and withdrawal begins), allostasis reflects a dysregulated imbalance between drug effects and excessive effector activity that causes a sign-reversal.

Analogous themes permeate several current models of addiction that are similar in this regard to the allostatic model of drug addiction proposed by Koob and Le Moal (2001). Colpaert and colleagues (Colpaert, Deseure, Stinus, & Adriaensen, 2006) hypothesized that drug-opposite, sign-reversal states have motivational properties that encourage further drug administration. Ossipov and colleagues (Ossipov et al., 2004) proposed a vicious circle-of-addiction hypothesis where overactive effector responses shift the balance point of the regulated variable into an aversive sign-reversal state which motivates drug taking. Pharmacologically increasing the drug effect via increased drug-taking behavior leads to the further overactivation of effector responses, and the restoration of the sign-reversal state which drives (motivates) further increases in drug taking.

Sign-reversals have also been reported in the osmoregulatory system (e.g., Na, Morris, Johnson, Beltz, & Johnson, 2007). The amount of sodium in the blood is related to several regulated parameters including blood volume and blood pressure. When the drug, furosemide, is administered, it reduces the kidney’s ability to retain sodium in the body, resulting in sodium loss to the urine and consequent hyponatremia. Rats respond to furosemide by increasing their intake of an otherwise not consumed hypertonic sodium solution to reverse the deficit. After several repetitions of this furosemide regimen, many rats persistently over-consume sodium salts, and this is indicative of an effector response that is excessive and does not turn itself off even though the challenges that reduced blood sodium concentration no longer occur i.e., these rats persistently consume excess quantities of sodium throughout their lives.

This finding is confusing from a homeostatic perspective because the compensatory behavioral response (sodium consumption) is greater than what is necessary to correct the perturbation, and because this dysregulated response persists over time even when the conditions that initially elicited it are no longer present. Further, there appears to be a motivational component to the persistent behavior (Bernstein, 2003). This non-homeostatic finding might be better understood using an allostatic model.

Suggestions of sign-reversals have also been reported for the temperature-altering effects of drugs. Gordon and colleagues (Gordon, Rowsey, & Yang, 2002) found that rats exhibit hypothermia during an initial nicotine administration and that chronic tolerance develops with repeated administrations. However, by the fifth administration, the rats develop a significant sign-reversal hyperthermia that the authors described as paradoxical. As another example, rats become hypothermic when initially administered nitrous oxide (Kaiyala & Ramsay, 2005 Ramsay, Kaiyala, Leroux, & Woods, 2005). However, over repeated administrations, rats develop chronic tolerance to this effect and eventually exhibit a hyperthermic sign-reversal (Kaiyala, Chan, & Ramsay, 2012).

The overcompensation of effector responses that mediate sign-reversal phenomena are probably what attracted Hammel’s attention to Johansen’s (1961) research with the armadillo, where step decreases in ambient temperature caused aumenta in core temperature (i.e., a change in the regulated variable opposite in direction to the effects caused by the disturbance). While Hammel (1989, 1990) wondered why effector responses were sustained after the effect of the disturbance on the regulated variable was corrected and why the effector responses were of sufficient magnitude to cause an overcorrection, we now recognize that these are two characteristics commonly ascribed by some to allostatic regulation. Since that initial demonstration, several others have reported cold-induced elevations of core temperature caused by over-compensation of autonomic thermoregulatory effectors (Katz, Frank, McGwin Jr., Finch, & Gordon, 2012 Székely, Szelényi, Pétervári, & Balaskó, 2001 Yang & Gordon, 2005).

There is a paucity of research designed to identify and investigate sign-reversal phenomena. When these phenomena have been observed, the investigators usually describe their findings with terms like paradoxical, inexplicable, surprising, puzzling, and counter-intuitive. We believe this reflects the inability of sign-reversals to be explained within the dominant homeostatic model, and that the absence of a theoretical model to make sense of these kinds of observations has hindered research.

Thus, the allostatic model may provide a better framework for investigating these phenomena i.e., the persistent maintenance of a sign-reversed response requires continued energy expenditure and likely places a load on those effectors, as well as on reflexes that oppose the sign reversal (i.e., concurrent activation of competing effectors). All of these nicely fit into McEwen’s concept of allostatic load and its potential adverse health effects. Stress responses may also play an important role in sign-reversal phenomena that are characteristic of allostasis (e.g., Edwards et al., 2012 Koob, 2010). Stress responses that are slow to resolve or do not shut off even after the disturbance has ended have been suggested to contribute to allostasis (e.g., Gourley, Swanson, & Koleske, 2013 Herman, 2013 Olausson, Kiraly, Gourley, & Taylor, 2013).

To summarize, while sign-reversal phenomena cannot be explained by principles of homeostasis, these observations are compatible with an allostatic model of regulation. Sign-reversals are energetically inefficient in that they involve discoordinated effector responses (e.g., concurrent activation of competing effectors, or responses that are excessive in magnitude or duration relative to the eliciting disturbance). The inefficiency of sign-reversals nicely supports the concept of the costs associated with allostatic load.


Researchers design thermal 'skin' to maintain temperature of satellites

Think keeping your coffee warm is important? Try satellites. If a satellite's temperature is not maintained within its optimal range, its performance can suffer which could mean it could be harder to track wildfires or other natural disasters, your Google maps might not work and your Netflix binge might be interrupted. This might be prevented with a new material recently developed by USC Viterbi School of Engineering engineers.

When satellites travel behind the Earth, the Earth can block the sun's rays from reaching the satellites—-cooling them down. In space, a satellite can face extreme temperature variation as much as 190 to 260 degrees Fahrenheit. It's long been a challenge for engineers to keep satellite temperatures from fluctuating wildly. Satellites have conventionally used one of two mechanisms: physical "shutters" or heat pipes to regulate heat. Both solutions can deplete on-board power reserves. Even with solar power, the output is limited. Furthermore, both solutions add mass, weight and design complexity to satellites, which are already quite expensive to launch.

Taking cues from humans who have a self-contained system to manage internal temperature through homeostasis, a team of researchers including Michelle L. Povinelli, a Professor in the Ming Hsieh Department of Electrical Engineering at the USC Viterbi School of Engineering, and USC Viterbi students Shao-Hua Wu and Mingkun Chen, along with Michael T. Barako, Vladan Jankovic, Philip W.C. Hon and Luke A. Sweatlock of Northrop Grumman, developed a new material to self-regulate the temperature of the satellite. The team of engineers with expertise in optics, photonics, and thermal engineering developed a hybrid structure of silicon and vanadium dioxide with a conical design to better control the radiation from the body of the satellite. It's like a textured skin or coating.

Vanadium dioxide functions as what is known as a "phase-change" material. It acts in two distinct ways: as an insulator at low temperatures and a conductor at high temperatures. This affects how it radiates heat. At over 134 degrees Fahrenheit (330 degrees Kelvin), it radiates as much heat as possible to cool the satellite down. At about two degrees below this, the material shuts off the heat radiation to warm the satellite up. The material's conical structure (almost like a prickly skin) is invisible to the human eye at about less than half the thickness of a single human hair—but has a distinct purpose of helping the satellite to switch its radiation on and off very effectively.

The hybrid material developed by USC and Northrop Grumman is twenty times better at maintaining temperature than silicon alone. Importantly, passively regulating heat and temperature of satellites could increase the life span of the satellites by reducing the need to expend on-board power.

Applications on Earth

Besides use on a satellite, the material could also be used on Earth for thermal management. It could be applied to a building over a large area to more efficiently maintain a building's temperature.

The study, "Thermal homeostasis using microstructured phase-change materials," is published in Optica. The research was funded by Northrop Grumman and the National Science Foundation. This development is part of a thematic research effort between Northrop Grumman, NG Next Basic Research and USC known as the Northrop Grumman Institute of Optical Nanomaterials and Nanophotonics (NG-ION2).

The researchers are now working on developing the material in the USC microfabrication facility and will likely benefit from the new capabilities in the recently-dedicated John D. O'Brien Nanofabrication Laboratory in the USC Michelson Center for Convergent Bioscience.


Synopsis and perspectives

As a corollary, the concepts and findings discussed in the present paper are in line with the general perception that aquatic fauna and their life-stages specialize on climate and associated temperature variability. The related temperature windows underlie the observed sensitivities to climate-induced temperature extremes. The first line of sensitivity is reflected in decrements in performance, i.e. the capacities to forage, migrate, grow or reproduce, followed by various steps characterizing the capacity of passive resistance to temperature extremes. So far, these generalized conclusions build on evidence from relatively few examples, mostly from temperate waters. In these cases, the changes at the ecosystem level were related to physiological limitations (cf. Pörtner and Farrell, 2008). To what extent the limits of the thermal niche of a species (which includes the limits of acclimation capacity, Fig. 3) match those of its niche realized at the ecosystem level (cf. Pörtner et al., 2010) remains to be elaborated vía many more examples. The present conceptual analysis demonstrates that as temperature has pervasive effects on all levels of biological organization, synergistic effects of important climate-related factors like hypoxia or elevated CO2 levels are most adequately considered by building on the concept of oxygen- and capacity-dependent thermal windows as a matrix. In fact, the applicability of this matrix is not restricted to these factors further environmental parameters can be included accordingly. For example, recent work in oysters demonstrated that pollution by heavy metals like cadmium causes enhanced costs in aerobic metabolism. The resulting load on oxygen supply capacity causes a reduction in heat tolerance and represents a mechanism for how climate sensitivity is enhanced at contaminated sites (Lannig et al., 2008 Sokolova and Lannig, 2008).

These principles may even become applicable at a higher organizational level, when elaborating the mechanisms involved in changes of community composition and food web structure and in projecting future ecosystem changes (Pörtner and Farrell, 2008). Such effects may build on differential performances and sensitivities in species coexisting in the same ecosystem due to spatial and temporal overlap of their differential distribution ranges. In brief, such interacting species would still specialize on different climates and would probably do so for the sake of energy savings and efficiency (Pörtner, 2006). Available evidence suggests that more agile species, partly due to better oxygen supply systems, are more eurythermal and, accordingly, would cover wider ranges of geographical and thermal distribution (Pörtner, 2002b Peck et al., 2009a). Cold stenothermal species display low levels of energy turnover with the benefit of a high level of growth efficiency (e.g. Heilmayer et al., 2004 Pörtner et al., 2005b). The different but overlapping thermal windows of species interacting in an ecosystem probably influence the quality and intensity as well as the seasonal timing of their interactions (Pörtner and Farrell, 2008). Multiple stressors (abiotic factors like CO2, hypoxia and toxicants biotic factors like limited food availability, predation pressure or competition) may narrow the acute thermal window of aerobic performance (and the thermal niche) and, moreover, lower the performance maximum to various degrees (see below). In the case of abiotic factors this may occur mostly through temperature-induced hypoxaemia being exacerbated by ambient hypercapnia or hypoxia (Metzger et al., 2007 Pörtner and Farrell, 2008). Changing window widths of temperature-dependent performances would therefore be a key aspect to be considered in a climate change context. Furthermore, a species' realized niche would include a threshold of minimum performance required to ensure interactions and competitiveness at the ecosystem level (Pörtner et al., 2010). There are currently no analyses available which have determined such temperature-dependent limits from this point of view or the required levels of minimal performance in the context of a thermal window.

Loss of aerobic scope, overall and for specific performances, may not only be caused by unfavourable abiotic conditions like extreme temperatures, elevated CO2 levels or ambient hypoxia. Such a loss may also arise vía lower food availability as well as unfavourable shifts in energy budget through limited energy availability overall or through excessive energy demands of foraging. Competition might add further costs and exploit a significant fraction of the energy budget, possibly at the expense of growth performance, developmental rate and reproductive output or of the capacity to exert combinations of these ‘activities’ fuelled by residual aerobic scope. Again, the fact that growth, development and reproduction need to operate above a minimum rate may add to the narrowing of the window to the realized thermal niche. Such energy budget components will thus need to be included in future analyses of the thermal niche and its implications at the ecosystem level.

Along with the concept of oxygen- and capacity-limited thermal tolerance a mechanistic framework emerges which is suitable for guiding the collection and interpretation of data on climate change effects at species and ecosystem levels and to avoid misinterpretation of effects and underlying principles. It also supports the development of more reliable, mechanism-based projections into the future, which is not possible with the mathematical modelling of empirical data alone. This framework may in fact help to parameterize the respective models addressing climate change effects on ecosystems. Mechanism-based projections founded on physiological knowledge and data collected under consideration of environmental scenarios and variability are therefore proposed as reliable tools to predict the change in the performance and fitness of individual species and their life-stages as well as in species interactions.


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