TERMORREGULACIÓN

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su capacidad para ceder energía calorífica. La temperatura depende del movimiento de las moléculas que componen a la sustancia, si éstas están en mayor o menor movimiento, será mayor o menor su temperatura respectivamente, es decir, estará más o menos caliente. El calor es la energía que se pierde o gana en ciertos procesos. Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.
La temperatura corporal es la medida del grado de calor de un organismo, y desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. Así, los seres humanos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas.

El concepto termorregulación hace referencia al mantenimiento de la temperatura corporal dentro una zona específica bajo condiciones que involucran cargas térmicas internas (metabólicas) o externas (ambientales). En otras palabras, es la homeostasis de la temperatura, la cuál implica el mantenimiento y equilibrio de la temperatura interna del cuerpo en niveles constantes.
El mantenimiento de la temperatura corporal es posible por la capacidad que tiene el cuerpo para poner en marcha una serie de mecanismos que favorecen el equilibrio entre la producción y la pérdida de calor. Cuando la producción de calor en el cuerpo es mayor a la velocidad a la que se está perdiendo, se acumula el calor dentro del cuerpo y aumenta la temperatura corporal. Al contrario, cuando la pérdida de calor es mayor, descienden el calor y la temperatura corporal.

Anatomía de la termorregulación

El cuerpo almacena una energía térmica proporcional a su temperatura. Llegado el equilibrio térmico debe disipar el calor con la misma rapidez que lo genera. La fig.1 muestra el diagrama de flujo de información del sistema de control de la temperatura corporal. En él aparece el cuerpo humano como proceso controlado, los receptores ó transductores de temperatura, el sistema nervioso central como controlador y los diferentes actuadores. En el modelado del cuerpo como sistema controlado se han distinguido tres zonas: el núcleo o cuerpo profundo, los músculos esqueléticos y la piel.

El núcleo o cuerpo profundo comprende todo el cuerpo excepto la piel y los músculos esqueléticos, incluyendo las vísceras y el sistema nervioso central (S.N.C.). El núcleo genera casi toda la tasa de metabolismo basal. El nivel metabólico esta controlado por el sistema endocrino, que realiza la función de actuador en la regulación de temperatura.

Los músculos esqueléticos, generalmente, envuelven el núcleo y comprenden mas de un tercio del peso corporal. Tiene un interés particular en la regulación de temperatura porque generan contracciones involuntarias (escalofrío) cuando el sistema padece frío. Este estremecimiento muscular esta destinado a proporcionar calor al sistema, por lo que realiza la función de actuador en la termorregulación. Los músculos esqueléticos realizan también la función de actuadores del movimiento y la postura corporal.
La piel de la protección extrema a las dos zonas anteriores actúa como aislador térmico con una actividad variable. El aislamiento térmico viene regulado por el efecto vasomotor. Mediante la vasoconstricción se reduce el flujo sanguíneo y disminuye la perdida de calor hacia el exterior. La vasodilatación realiza la función inversa. Además, existe el mecanismo de sudoración a través de los poros de la piel para producir evaporación de agua y con ello aumentar la perdida de calor. Aparte de la evaporación, la piel también pierde calor por convección y radiación cuando la temperatura del cuerpo es superior a la temperatura ambiente. La evaporación permite sobrevivir al organismo frente a temperaturas ambiente superiores a la de la piel, cuando los otros modos producen una transferencia de calor neta hacia el cuerpo. En los animales peludos el pelo reduce la perdida de calor frente al ambiente frío. Sin embargo, tales animales tienen muy reducido el mecanismo de sudoración a través de la piel y presentan el fenómeno de jadeo, realizándose la evaporación principalmente por la lengua.La circulación de la sangre ejerce un importante papel en la transferencia de calor entre las tres zonas consideradas: núcleo, músculos y piel.Los receptores o transductores de temperatura se encuentran principalmente en la piel y en el núcleo. Los receptores de la piel dan información de la temperatura exterior, mientras los receptores del núcleo dan información de la temperatura interna. Se han identificado dos tipos de transductores en la piel. El receptor del frío responde fundamentalmente a disminuciones de temperatura, mientras que los receptores del calor, en menor número, responden especialmente a los aumentos de temperatura. Los termorreceptores del núcleo se encuentran en el hipotálamo (encéfalo), próximos al controlador del sistema de regulación de temperatura.Al hipotálamo se le considera el controlador en la termorregulación, con dos zonas complementarias. El centro de mantenimiento de calor, situado en el hipotálamo posterior a la información de las temperaturas del núcleo y de la piel y controla el metabolismo. El centro de perdida de calor, situado en el hipotálamo anterior, toma información de la temperatura del núcleo y pone en marcha los actuadores de perdida de calor descritos previamente: la sudoración y la vasodilatación.

Mecanismos de regulación de la temperatura corporal.

Modelo matemático del cuerpo como proceso controlado

En el modelado matemático deben considerarse las ecuaciones de equilibrio térmico en cada una de las tres zonas, lo cual permitirá relacionar analíticamente cada una de las variables consideradas. El primer principio de la termodinámica afirma que el calor neto que entra en un sistema es la suma de la energía almacenada internamente y el trabajo externo realizado. Teniendo en cuenta que, en nuestro caso no hay trabajo externo y que, en vez de considerar valores absolutos de calor se estudian flujos de calor y tasas de energía calorífica. Las ecuaciones de equilibrio de calor para cada una de las zonas son:

Siendo:

m = masa

c = calor especifico

Ө = temperatura

Mm = metabolismo del escalofrío muscular

Mb = metabolismo basal

Mv = metabolismo del ejercicio muscular voluntario

Fc = tasa de transferencia de calor por convección

Fe = tasa de transferencia de calor por evaporación

Fr = tasa de perdida de calor por respiración

Frad = tasa de transferencia de calor por radiación

q = flujo de calor entre dos de las zonas consideradas y los subíndices n, m, p indican núcleo, músculo y pie respectivamente.

El flujo de calor entre dos zonas con superficie equivalente A y separadas una distancia puede expresarse aplicando la ley de Fourier de conducción de calor, en la forma:

Siendo:
K = la conductividad térmica y el subíndice y se refiere a la acción vasomotora.

La tasa de transferencia de calor por convección puede expresarse empleando la ley de Newton

Siendo:

hp = coeficiente de transferencia de calor por convección

Өa = temperatura ambiente

y la tasa de transferencia de calor por radiación mediante la ley de Stefan-Boltzmann

Siendo:

σ = constante de Stefan-Boltzmann

A’ = superficie radiante efectiva

Өr = temperatura

La figura presenta el diagrama de bloques del cuerpo como sistema controlado en la regulación de la temperatura corporal y se deduce de las ecuaciones (1) a (8) planteadas previamente.
La figura incluye todas las conexiones lógicas entre las distintas variables analizadas. En esta etapa no se a pretendido completar todos los bucles de realimentacion a través del sistema nervioso central, sino estudiar la dinámica del proceso controlado. La configuración de este diagrama de bloques se ha elegido cuidadosamente para ilustrar características comunes o simétricas del modelo. Así el almacenamiento de energía térmica se presenta en los caminos descendentes, flujos de calor en los caminos ascendentes, las temperaturas en la zona inferior y la suma algebraica de flujos de calor y tasas de energía térmica en la zona superior.
Características de funcionamiento del sistema regulador de temperaturaEn el anterior apartado se ha modelado el funcionamiento de los elementos pasivos a partir de las propiedades térmicas conocidas a priori. Sin embargo se conoce muy poco a priori el funcionamiento del sistema nervioso central (S.N.C.) los termorreceptores y actuadores.
A continuación se presentan características de funcionamiento del sistema termorregulador obtenidas experimentalmente con el fin de conocer las relaciones existentes entre el SNC y las funciones de control de los receptores de temperatura, para completar el modelo matemático global.Anatomía de la termorregulación.
El cuerpo almacena una energía térmica proporcional a su temperatura. Llegado el equilibrio térmico debe disipar el calor con la misma rapidez que lo genera. La figura muestra el diagrama de flujo de información del sistema de control de la temperatura corporal. En él aparece el cuerpo humano como proceso controlado, los receptores ó transductores de temperatura, el sistema nervioso central como controlador y los diferentes actuadores. En el modelado del cuerpo como sistema controlado se han distinguido tres zonas: el núcleo o cuerpo profundo, los músculos esqueléticos y la piel.