Laboratorio n°1 Mecanismos de termólisis
Integrantes: Javiera Escobedo Bárbara González Gabriela González Carrera: Licenciatura con mención en biología Curso: Zoología Funcional Ayudantes: Gabriela Piris Cristóbal Narváez O. Romina Tapia Fecha: 2 de Mayo del 2017
Resumen
El presente informe consta de cuatro partes, las cuales son: introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. En la primera parte se planteó el objetivo del experimento, el cual fue analizar experimentalmente los diversos efectos que se pueden ejercer sobre organismos al someterse a diferentes condiciones de pérdida o ganancia de calor, tales como: efectos de radiación, conducción, convección y evaporación. Para esto se utilizó un modelo físico que simula a un animal con temperatura corporal a 37°C. Luego se especificó cómo se llevó a cabo el experimento con los distintos procedimientos e instrumentos que fueron utilizados para llevar a cabo los experimentos; como por ejemplo someter el catatermómetro a enfriamiento por aire, agua, tubos, etc. Utilizando herramientas como un ventilador, tubos de distintos materiales, entre otros. Posterior a especificar los métodos e instrumentos, se procedió a redactar los resultados obtenidos en los experimentos como, por ejemplo, los tiempos en que se demora el catatermómetro en disminuir su temperatura corporal en todas las situaciones en las que se les expuso, o también la conductancia térmica en cada caso, entre otros. Esta parte incluye gráficos y tablas que explican de mejor manera los datos obtenidos para facilitar la relación entre un concepto u otro. Finalmente se planteó la discusión, parte en la cual se discuten los resultados obtenidos anteriormente y se plantean preguntas como: ¿En cuál de los anteriores casos existe mayor pérdida de calor por parte del organismo en un menor tiempo? O ¿Cuál podría ser el mecanismo utilizado por el animal para sobrellevar un cambio climático? ¿Qué relación existe entre la conductancia térmica y los distintos métodos que se utilizaron para enfriar al catatermómetro? Etc. Esta última parte de dividió en dos partes: la síntesis del trabajo y la comparación de los resultados obtenidos con aquellos obtenidos previamente por el resto de la comunidad científica.
Introducción
“La temperatura ambiente varía en el tiempo y el espacio en escalas que van desde pocos minutos hasta cambios climáticos de largo tiempo. Los organismos deben enfrentar estas condiciones variables y regular sus capacidades fisiológicas. Esta regulación está dada por un balance entre las tasas de producción y pérdida de calor, y se observa al nivel de la plasticidad fenotíp ica de los individuos y en las característ icas resultantes de adaptación evolutiva al ambiente térmico de las especies ”
(Johnson & Bennett 1996). Cualquier función del animal, necesita ser regulada constantemente, en coordinación de otras funciones. El animal sobrevive gracias a un continuo intercambio de energía y materia con el medio ambiente, sin embargo, estos intercambios no deben sobrepasar ciertos límites. Una de las funciones más importantes que el animal necesita regular, es la temperatura, ya que esta es el elemento más importante que limita al animal a cumplir otras funciones, como la reproducción, alimentación, forrajeo, etc. [1] Ya que la temperatura tiene mucha relación con el metabolismo del animal, el cual ha desarrollado evolutivamente distintas estrategias de termorregulación lo cual permite conservar la temperatura corporal en las condiciones variables del ambiente, para esto se produce un balance de la temperatura corporal mediante la ganancia (termogénesis) y pérdida de calor (termólisis); para así poder mantener el metabolismo del animal en niveles óptimos, lo que le facilita tener activa funciones tan relevantes como las mencionadas anteriormente. Los funcionamientos de los procesos fisiológicos del animal dependen en gran parte del aire que rodea su cuerpo. El calor se pierde por mecanismos físicos como convección, radiación, conducción, etc. Si la temperatura ambiente es superior al rango de confort, disminuye la pérdida de calor y si aumenta por encima de la temperatura de la piel, el calor fluirá en dirección inversa. La conducción es la transferencia de calor a través de dos materiales en contacto directo. En la convección se produce una transferencia de calor por medio de un fluido. La evaporación elimina el calor del cuerpo, mediante la evaporación del agua corporal desde las vías respiratorias o la piel. La transferencia de calor por radiación térmica ocurre por medio de haces de energía radiante que todos los objetos emiten y que pasan de un objeto a otro. Debido a esto, los objetos pueden intercambiar calor, aunque estén alejados. [2]
Fisiología, se puede definir como la ciencia que estudia los procesos funcionales de los seres vivos y de sus partes constituyentes. Los procesos funcionales pueden ser estudiados a diferentes niveles tanto como estudio a nivel celular, hasta el estudio del funcionamiento del animal completo como una sola unidad; enfatizando en cómo se regulan y controlan estas funciones y cómo están vinculadas y relacionadas con el organismo. En este informe, más precisamente se enfocará en comparar y analizar los distintos tipos de pérdida de calor sobre un catatermómetro el cual representa un animal con temperatura corporal de 37°C
Métodos El catatermómetro es un termómetro de alcohol con bulbo grande que permite medir, en este caso, el efecto de enfriamiento en condiciones particulares. [1] Tiene una capacidad calorífica de 11,8 [cal/°C], una superficie de 56,5 [ cm^2] y una temperatura inferior de 33°C. Se introdujo el catatermómetro en un baño termorregulador, para aumentar su temperatura por sobre 37°C, superando la marca superior. Se secó el bulbo y se sometió a los distintos experimentos donde se midió el tiempo que demora en descender la columna desde 37 hasta 33. También se midió la temperatura ambiental en cada caso. 1.- luego de retirar y secar el catatermómetro del baño caliente, se colgó con cuidado de un soporte, cuidando de que no choque con éste. 2.- Luego de secar el catatermómetro, se esperó que la columna descendiera hasta 37°C y se expuso frente a un ventilador a una distancia aproximada de 30 [cm]. 3.- Se introdujo el catatermómetro en un vaso precipitado con agua a temperatura ambiente. 4.- Se repitió el paso anterior. Sin embargo, se agitó el bulbo en el agua, evitando que este choque con las paredes del vaso. 5.- Luego de secar, se colgó del soporte y se rodeó el bulbo con distintos cilindros de PVC recubiertos internamente por distintos materiales (Papel aluminio, negro y blanco). Se esperó llegar a 37°C para medir el tiempo que demoraba en descender la columna. 6.- Se repitió el experimento 1 sin secar el bulbo. 7.- Se experimentó con hojas secas dentro de un vaso precipitado, en donde se introdujo el catatermómetro y se procedió a medir el tiempo que demora en descender la columna.
Las ecuaciones utilizadas se describen a continuación: é: = é : = ⋅ : = ó: = / é: 2 = ó é: = 2 / é: = /2
Donde es 33°C, es capacidad calórica, es superficie y es (37°C+30°C)/2
Resultados
Para el análisis de datos se utilizaron los resultados de todos los grupos y se sometieron a diversos tratamientos donde se resumió la información mediante gráficos y tablas creadas en Excel. A continuación, se presenta un gráfico que resume el valor de la conductancia para distintos tratamientos mencionados anteriormente. Para esto se utilizó la conductancia promedio de ambos grupos.
Figura 1. Conductancia de distintos mecanismos de termólisis: Aire, Agua y distintos cilindros (papel negro, blanco y aluminio)
A continuación, se presenta una tabla con los valores de conductancia para cada experimento extra de ambos grupos. Experimento
Conductancia [cal*C*s*cm^2]
Experimento
Conductancia [cal*C*s*cm^2]
Pelo
0,0002001
Hojas2
0,0002626
Madera
0,0004576
Lana2
0,000363
Humus
0,000504
Pelo2
0,00037
Hojas secas
0,001656
Tierra
0,00126
Lana
0,000136
Pelo3
0,000199
Pasto semi seco
0,002894
Hudling
0,0003
Hojas secas2
0,0021472
Lana + viento
0,000438
Tabla I. Conductancia de distintos materiales
A continuación, se resumen los valores obtenidos de flujo calórico, densidad de flujo y aislación térmica para cada condición experimental, incluyendo el experimento extra. Condiciones
Flujo calórico [cal/s]
Densidad de flujo [cal/s*cm^2]
Aisl aci ón tér mi ca (°C*s*cm^2/cal)
Aire
0,302
5,34⋅ 10−3
2715,35
Aire forzado
0,93
0,01640
880,92
Agua
3,63
0,064
242,18
Agua forzada
4,336
0,0767
202,08
Papel aluminio
0,1380
2,44⋅ 10−3
5122,95
Papel negro
0,11430
2,53⋅ 10−3
4940,7
Papel blanco
0,1557
2,755⋅ 10−3
4545,4
Evaporación
0,2325
4,115⋅ 10−3
3037,6
Hojas
0,1517
2,684 ⋅ 10−3
4657,2
Tabla II. Flujo calórico, densidad de flujo y aislación térmica para distintas condiciones experimentales.
Discusión Antes de comenzar, es importante explicar la aislación térmica, la conductancia y el catatermómetro y por qué se utilizaron en este experimento. La aislación térmica corresponde a la capacidad para evitar la disipación de un cuerpo, o bien, la capacidad de conservarla, mientras que la conductancia es una medida de la transferencia de calor. El catatermómetro equivale a un animal endotermo, la cual tiene que ver con la regulación constante de la temperatura corporal. En organismos endotermos, la variación de la temperatura ambiental no afecta la temperatura corporal debido a la estrecha homeostasis que posee, esta homeostasis es mantenida en gran parte gracias a la modulación facultativa de la conducta y mecanismos de compensación fisiológica que cambian la capacidad termogénica (Bartholomew 1964). En el experimento 1, donde la condición es el aire, se ve que la aislación térmica es mucho mayor a la condición de aire forzado, pero menor en evaporación, esto se explica mediante los mecanismos de convección y evaporación. Cuando se expone al aire, la aislación térmica fue mayor debido a que solo se expone al aire del laboratorio, a diferencia de la exposición hacia el “viento”, la diferencia en la cantidad de aire hace que la cantidad de calor perdido sea mucho mayor por el mecanismo de convección en el catatermómetro expuesto al ventilador, en cuanto a conductancia, el aire forzado (ventilador) es mucho mayor a la condición de aire y evaporación. Respecto a cuando el bulbo se expone al aire y a evaporación, la aislación térmica es menor en aire comparado a evaporación. Comparando la condición aire forzado - evaporación se evidencia que la aislación térmica de la evaporación sigue siendo mayor. Estadísticamente través de un test Tukey con un valor de p<0,0001 para la conductancia de aire, aire forzado y evaporación, se concluye que aire forzado y aire presentan diferencias significativas (ya que presenta un valor menor a 0,005) al igual que aire forzado y evaporación. Sin embargo, aire y evaporación son iguales, en contraste a los resultados teóricos-experimentales, en donde evaporación es mayor que en aire. Respecto a los experimentos de exposición al agua y agua forzada, se tiene que la aislación térmica al exponer al agua es mayor respecto a la exposición en agua forzada, esto se debe a que el bulbo en agua solo está expuesto a la conducción, mientras que, en agua forzada además de lo mencionado anteriormente, se encuentra frente a la convección por lo que la pérdida de calor es aún más grande. cabe mencionar que el agua forzada (convección) presenta una mayor conductancia térmica que el agua (conducción), de acuerdo a los valores obtenidos en el experimento es 3 veces mayor. A la experimentación general con agua, se puede afirmar que ésta tiene una aislación térmica muy baja, por esto el calor se dispersa fácilmente por lo que podemos comparar el catatermómetro con un animal acuático, el cual ha tenido que adaptarse al medio para poder sobrevivir. Estadísticamente realizando un análisis a la conductancia en agua y agua forzada, se determinó a través de un “test de tukey” c on p=0,002 que los promedios son distintos. Con lo que podemos aseverar con un 95% de confianza que los promedios entre tratamientos son diferentes. Posteriormente, se introdujo el catatermómetro dentro de tres cilindros cubiertos internamente de papel aluminio, negro y blanco respectivamente, los que simulan condiciones ambientales. Respecto a las aislaciones térmicas, el cilindro con aluminio fue la que obtuvo mayor aislación, seguido por el cilindro con papel blanco, que simula ser el día, obtuvo un valor intermedio, y finalmente el cilindro con papel negro, que simula ser la noche, obtuvo el menor resultado de
aislación térmica. Un ejemplo evidente de esto se puede evidenciar en la conducta animal, en donde endotermos ayudan a regular su temperatura corporal mediante la exposición al sol, estar en la “sombra”, o no posicionarse bajo sol (noche). El cilindro con aluminio refleja la energía calórica, por lo que el individuo mantiene la temperatura corporal constante, representando el día y la noche, el cilindro blanco presenta mayor aislación térmica que el negro. Se realizó un test Tukey con un valor de p=0,00027 para los cilindros recubiertos de papel aluminio, negro y blanco respectivamente. Se concluye que el cilindro recubierto con aluminio presenta diferencias significativas con el cilindro negro y el blanco. Sin embargo, el cilindro negro y blanco son iguales, lo que se contrapone con lo teórico-experimental ya que el cilindro negro tiene menor aislación térmica y por lo tanto se disipa más rápido el calor en la noche. Comparando los experimentos entre sí, la aislación térmica es mayor en el aire, ya que la pérdida de calor aumenta en el agua forzada debido a que es un buen conductor. Sin embargo, la mayor aislación térmica se obtuvo en los experimentos de radiación, algo que influye en este experimento es la composición de los tubos, los cuales están hechos de PVC, que es un material altamente aislante. Finalmente, el experimento escogido por el grupo fue acumular en un vaso precipitado una gran cantidad de hojas secas simulando una especie de nido. Lo que arrojó fue una aislación térmica de 4.657,2 ° 2 / , la cual es mucho mayor a la aislación térmica del aire, y también mayor a los efectos en el aire forzado, por ende, la convección disminuyó. La elección de hojas secas, asegura que no hubo humedad y por lo tanto la aislación térmica no disminuyera. Los objetivos se cumplieron, ya que fue posible comparar la conductancia, aislación térmica y otros parámetros de un organismo hipotético a través de los distintos mecanismos de termólisis. los organismos están expuestos a constantes cambios ambientales que influyen en las distintas respuestas que adoptan los endotermos para mantener su temperatura constante y así mantener una sobrevida que les permita desenvolverse en su hábitat. Se concluye que los organismos que mantienen su temperatura corporal constante, se ven mayormente afectados por la convección y conducción en ambientes acuáticos, que, en ambientes terrestres, debido a la menor conductividad del aire respecto al agua. Además, los organismos terrestres se ven favorecidos cuando son aislados del aire, como se observó en los experimentos con cilindros de PVC. Un ejemplo en la naturaleza es cuando diferentes organismos construyen madrigueras para la crianza o refugio.
Bibliografía Johnson IA, AF Bennett, 1996. Animals and temperature. Phenotypic and evolutionary adaptation. Society for Experimental Biology Seminar . (59): 425 [1] Palacios L, Blasco J, Pagés T, 2009. Fisiología animal. Revista electrónica de Veterinaria (11):3 [2] Hill R, 2004. Relaciones térmicas. Hill, R, W yse, G, Anderson, M. Fisiología animal. Editorial médica panamericana, Madrid. 221-276 Coffe R.C, Bartholomew W.F, 1964. Some aspects of Sorption. Soil Surface. Soil sc. Society of America. (28): 485-490
