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Las tortugas tornan el intercambio de calor al revez

Translated by Sandra Schleier — Original Post by 

Artículo:

Davenport, J., Jones, T.T., Work, T.M., and Balazs, G.H. (2015). Topsy-turvy: turning the counter-current heat exchange of leatherback turtles upside down. Biology Letters. 11: 20150592. doi: 10.1098/rsbl.2015.0592.

Fig. 1. These gentle giants can weight up to 700 kg (1,500 pounds), and lack the bony shell of other turtle species. Wikimedia.

Fig. 1. Estos gigantes gentiles pueden pesar hasta 700 kg (1,500 libras) y no poseen el caparazón de hueso que otras especies de tortugas poseen. Wikimedia.

El control de la temperatura corporal es esencial para la maquinaria compleja y biológica de un organismo. Un animal debe manejar la cantidad de calor en su cuerpo, para que se mantenga en la zona del no muy caliente ni el no muy frío. El intercambio contracorriente de calor es un ejemplo clásico de una solución anatómica elegante a este problema fisiológico. El retener calor en la corteza del cuerpo a cuenta de las extremidades menos sensitivas, permite a los animales termorreguladores y ahorrar energía de manera más eficiente. Un nuevo artículo de Hawái, detalla cómo los tinglares (Dermochelys coriacea) hacen las cosas diferente, pero primero necesitamos ver como la difusión e intercambio de calor funciona en los animales.

Difusión sencilla

Los solutos siempre se mueven de una área de mayor concentración a una área de menor concentración. Y si no me crees, puedes hacer tú mismo(a) el experimento en tu casa: solo añade colorante (soluto) a un vaso de agua. No lo menees, solo permite que el colorante se disuelva lentamente y se mezcle con el resto del agua en el vaso.

Fig. 2. Simple diffusion of food colouring in a glass of water. Image from Bruce Blaus via Wikimedia.

Fig. 2. Difusión sencilla de colorante en un vaso de agua. Imagen por Bruce Blaus via Wikimedia.

El soluto (colorante púrpura oscuro) intenta esparcirse lo más equitativamente posible – buscando los lugares donde no esta altamente concentrado – (Fig. 2). Esto hace que toda el agua en el vaso se torne un púrpura claro, mientras el soluto se divide en partes iguales por todo el espacio disponible en el vaso.

Sistemas Biológicos de Intercambio de Calor

El transferir materiales (iones, calor, gases) alrededor del cuerpo trabaja dentro de las reglas de difusión, de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Cuando pensamos en el intercambio entre las vesículas con sangre fluyendo a través de ellas, hay dos posibles arreglos: intercambio co-ocurriendo y contra-corriente. En un sistema co-ocurriendo, la sangre en las vesículas fluyen paralelas. Esto difiere del Sistema contra-ocurriendo donde la sangre en las dos vesículas fluye en direcciones opuestas (Fig.3).

Fcc

Fig. 3. Sistemas de intercambio contra-corriente, como en elrete mirabile, son más eficientes que los sistemas co-ocurriendo porque mantienen un gradiente de concentración sobre todo el largo de la vesícula. Graficas por B.G. Borowiec.

Fig. 4. The rete mirabile (“rm”) of a sheep’s head is a dense network of thin vessels, allowing efficient exchange of oxygen and carbon dioxide with the brain. Wikimedia.

Fig. 4. El retia mirabilia (“rm”) de la cabeza de una oveja es una red de vesículas fina, permitiendo el intercambio eficiente de oxígeno y bióxido de carbono con el cerebro. Wikimedia.

La dirección del flujo de sangre ha tenido un impacto grande en cuan eficiente el calor se transfiere entre dos vesículas. Un Sistema co-ocurriendo lentamente pierde su gradiente (fuerza conducente) ya que los dos fluidos se vuelven más similares uno del otro a lo largo de la vesicular. A diferencia, un Sistema contra-corriente es más eficiente porque logra mantener su gradiente de concentración a lo largo de la vesícula.

Los mamíferos y las aves utilizan intercambios de calor de contra-corrientes especiales para prevenir la pérdida de mucho calor mientras la sangre se mueve a través de sus extremidades. Estos intercambiadores están hechos de grupos de arterias y venas en arreglos complejos llamados retia mirabilia (“redes maravillosas”). El calor viaja de las arterias cálidas abandonando la corteza corporal hasta las venas frías quienes circulan a través de las extremidades (y más cercana del ambiente de afuera). Esto asegura que la corteza del cuerpo se mantenga relativamente caliente en todo momento y reduce la pérdida de calor mientras la sangre circula a través de las extremidades.

Las Tortugas rompen las reglas

El Dr. Davenport y sus colegas en las pescaderías de la NOAA en Honolulu y el USGS coleccionaron 6 tinglares juveniles de los buques de pesca de línea. Realizaron necropsias rutinarias en los cadáveres y examinaron en detalle las redes de vesículas de sangre de las aletas. Sorprendentemente, encontraron que la vesículas estaban organizadas en la dirección errónea, reteniendo calor en las extremidades en vez de su cuerpo. Pero considerando la historia de vida de un tinglar, esto hace mucho sentido.

A pesar de su letargo en la tierra, los tinglares son excelentes nadadores, baten sus aletas continuamente para tomar mayor impulso en sus inmersiones profundas. Todo este trabajo genera mucho calor, de manera que estas tortugas necesitan una manera de prevenir volverse hipertérmicas. Aquí es donde su intercambiador al revés y contra-corriente entra (Fig. 5).

Fig. 5. Simplified anatomical arrangement of a leatherback turtle flipper. As the blood moves through the flipper muscles, it releases oxygen and takes up carbon dioxide and heat. This heat is transferred back to arteries (flowing towards the muscle) at the plexus before the deoxygenated, venous blood returns to the body core. This retains heat in a loop in the flipper and keeps the core body relatively cool. Diagram by B.G. Borowiec; photo from roy.luck via Flickr.

Fig. 5. Arreglo anatómico simplificado de la aleta de un tinglar. Mientras la sangre se mueve a través de los músculos, libera oxígeno y guarda bióxido de carbono y calor. Este calor es transferido de vuelta a las arterias (fluyendo hacia los músculos) en el plexo antes que la sangre desoxigenada regrese al la corteza del cuerpo. Esto retiene calor en las aletas manteniendo el cuerpo relativamente fresco. Diagrama por B.G. Borowiec; foto de roy.luck via Flickr.

Durante la época de reproducción, las hembras utilizan sus aletas traseras para excavar y crear los nidos para sus huevos, durante ese tiempo son particularmente vulnerables a sobre calentarse estando fuera del agua. Las hembras que desovan toman ventaja de sus estructuras del plexo para aguantar calor en el circuito de su aleta donde fácilmente se pierde al aire. Como otros mamíferos y aves, las Tortugas dilatan sus vesículas para expulsar el exceso de calor.

Más allá de mantenerse caliente

Mientras el intercambio de calor es probablemente el ejemplo más conocido, los sistemas contra-corrientes están más envueltos en los sistemas biológicos más allá de la termorregulación. Muchos animales del desierto y mamíferos marinos utilizan un Sistema contra-corriente para concentrar el exceso de sales y conservar agua. El riñón, es el responsable de re-absorber muchas de las sales e iones en el cuerpo, usando un circuito de contra-corriente más sofisticado que concentra la orina y retiene la mayoría de las sales y nutrientes en el cuerpo. Las jirafas en cambio dependen del retia mirabilia para prevenir el desmayarse cuando alzan la cabeza luego de beber agua.

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