İçerik
1. Termoregülasyon Nedir?
Termoregülasyon, canlı bir organizmanın ya da yapılı bir çevrenin iç sıcaklığının, dış ortam sıcaklığından etkilenmeksizin belirli bir aralıkta tutulması olarak tanımlanır. Çevre koşullarının değişmesi halinde canlıda ısı kaybı ya da aşırı ısınma görülebilmekte bu nedenle de canlılar hayatta kalmak için ısı kazanımını ya da kaybını sağlamaya yönelik bazı çözümler üretmişlerdir.
Termoregülasyon, bir organizmanın çevre sıcaklıkları ne olursa olsun, kendi vücut sıcaklığını belirli bir aralıkta tutmasıdır. Bu nedenle organizmalar termoregülasyonu sağlamak amacıyla morfolojik, fizyolojik veya davranışsal metotlar benimsemişlerdir. Havanın sıcaklığı, güneşten gelen radyasyon, diğer maddelerin radyasyonu, organizmanın ısıyı emme kuvveti, bulunan ortamın rüzgar hızı ve konveksiyon vücut sıcaklığını etkilemektedir.
Isıl düzenlemeyi sağlamanın temelde ısı akışını hızlandırmak ve ısının geçişini engellemek olmak üzere iki yolu bulunmaktadır. Isı bir enerjidir ve ısısı yüksek olandan düşük olana doğru bir transfer gerçekleşmektedir. Her canlının sağlıklı bir yaşam koşulu oluşturmak için vücut sıcaklığını belirli bir aralıkta tutması gerekmektedir. Yapılarda ısıl düzenleme sağlamanın sebebi içinde yaşayan canlıları termal konfora ulaştırma amacıdır. Termal konfor canlının hayatta kalmak için gerekli vücut sıcaklığına ulaşmayı sağlamak için minimum çaba gösterdiği, ortam sıcaklığının konforunu etkilemediği ortamlar için kullanılabilecek bir tabirdir. ASHRAE Standard 55 ve ISO Standard 7730 ise insanlar için termal konforu; ortamın termal durumundan memnuniyeti anlatan ortam koşulları olarak tanımlamıştır. Bu tanım, ortamda bulunan insanların psikolojik durumlarının alışkanlıklarına göre değişebileceğini, burada temel alınanın kişinin ortamda sıcak ya da soğuk hissetmesinin olduğu anlaşılmaktadır.
2. Termoregülasyon Yöntemleri
Doğadaki canlılar aslında bir fizik kuralı olan ısı geçişlerini kontrol ederek istedikleri vücut sıcaklığına ulaşmak ve yaşamlarını sürdürebilmek için:
- Isı kazanımı,
- Isı korunumu,
- Isı dağıtılması,
- Isınmayı önleme
gibi yöntemler geliştirmişlerdir.
2.1. Isı Kazanımı
Organizmalar ısı kazanımını çoğunlukla ya güneşten gelen radyasyonu emmeleri sayesinde ya da metabolik faaliyetler sırasında ortaya çıkan ısı ile sağlarlar. Güneşten gelen radyasyonu emmek böcek ya da sürüngenler gibi soğukkanlı hayvanlar için bir ısı kazanımı yöntemdir. Radyasyonu emme etkinliği, canlıların renklerine, ısı kaynağına uzaklıklarına, yönlenmelerine ve iletkenliklerine bağlıdır. Koyu renkler daha fazla ısı emerken, açık renkler bir kısmını yansıttıkları için daha az emmektedir. Birçok sürüngen ise bu dengeyi sağlamak için derilerini genişletip daraltarak açık ve koyu bölgeleri artırıp azaltabilirler.
Bir hayvanın yüzey alanının hacmine oranı, ısı kazanımı ve kaybında önemli bir rol oynar. Çünkü ısı yüzeyden kazanılır ve kaybedilir, dolayısıyla soğuk iklimlerde daha büyük boyutlu, sıcak iklimlerde ise daha küçük boyutlu canlıların görülme oranı daha yüksektir. Aşırı ısınma ise deri rengini, vücut postürünü değiştirmek ya da gölge olan bir alana giderek ortamı değiştirmek suretiyle giderilebilir. Radyasyon doğrudan ısı kaynağı olarak kullanılabildiği gibi dolaylı olarak da kullanılabilir. Örneğin, ısı kazanmak amacıyla bir hayvan güneş tarafından ısıtılan bir kaya sayesinde ısı kazanabilir.
Isı kazanımının bir diğer yolu ise metabolik etkinliğin artırılmasıdır. Metabolik faaliyetler arttıkça ortaya çıkan ısı da doğru orantılı artmaktadır. Isınma kasların çalışması yani egzersizle, kasların istemsizce kasılması yani titremesi ya da titreme olmaksızın kasların istemsiz çalışmasıyla sağlanabilir. Kas etkinliği sayesinde kazanılan ısı canlıdan canlıya ve davranışsal özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Isı kazanımı için titreme ise düşük ve yüksek şiddette titreme olarak ikiye ayrılmaktadır. Düşük şiddetli titreme aslında yılın soğuk dönemlerinde hayvanların vücut sıcaklıklarını korumak için başvurduğu bir yöntemdir. Yüksek şiddetli titreme ise yüksek ısı ihtiyacından dolayı titremenin ani yükselmesidir. Titreme ısı kazanımı konusunda kasların çalışmasından, egzersizden daha etkili bir yöntemdir.
Kısaca özetlemek gerekirse endoterm canlılar ısıl dış kaynağa ihtiyaç duymaksızın metabolik faliyetlerini artırarak ısı kazanırlarken, ektoderm canlılar dış ortamdaki ısı kaynağından iletim, konveksiyon ve radyasyon yöntemi ile ısı kazanımı yaparlar.
2.2. Isı Korunumu
Vücut sıcaklığının korunması soğuk ortamlarda yalıtım, metabolizma hızının azaltılmasına, sıcaklık değerlerinin fark aralığının azaltılmasına ve dış ortamla temas edilen alan ile vücut hacmi arasındaki oranın düşürülmesiyle sağlanabilir. Bu yöntemler ise morfolojik, davranışsal ya da fizyolojik olabilir. Yüzey alanı hacim oranının değiştirilmesine ek olarak sıcak ortamlarda yaşayan büyük hacimli canlılar ısı kaybını artırmak için evrim sürecinde daha az kürklenme eğilimine gitmişlerdir. Katı bir madde çevreye “iletim” yoluyla ısı yayarken, akışkanlarda ısı aktarımı “konveksiyon yolu” ile olur. Yalıtım çevreye yayılan ısı miktarını azaltır. Canlılarda bulunan ısı yalıtımı katmanı yılın dönemlerine yani mevsimlere göre değişiklik gösterebilir. Örneğin ayılar yaz mevsiminde kışın sahip oldukları postun yaklaşık %52’sini kaybederler. Ayrıca kuşlar da soğuk ortamlarda tüylerini kabartıp başlarını tüylerinin arasına çekerek ısılarını korumaya çalışırlar. Kutuplarda çok soğuk sularda yaşamak zorunda olan fok balıkları ve balinalar kürk ya da postları sıvı ortamda yalıtım özelliğini kaybettiği için derileri altında bulunan kalın yağ tabakası sayesinde vücut sıcaklıklarını korurlar. Dış ortamdaki sıcaklık değerlerine göre vücut sıcaklığının değiştirilmesi de bir diğer ısı koruma yöntemidir. Organizmalar vücut sıcaklıklarını değiştirerek dışarıya aktarılacak ısı miktarını düşürürler ve vücut sıcaklığı dar bir aralıkta tutulmuş olur. Bazı organizmalar ise metabolizma hızlarını düşürerek vücut ısılarını düşürürler ve böylece ısı korunumu sağlarlar. Örneğin bazı hayvanlar besin bulma dolayısıyla da metabolik faaliyetlerini sürdürme konusunda kış aylarında sıkıntı yaşarlar. Bu nedenle kış boyu metabolizma hızlarını minimuma indirerek kış uykusuna yatarlar. Kış uykusu sırasında kalp atışı ve solunum hızı yavaşlar, vücut sıcaklığı ise neredeyse ortam sıcaklığıyla aynı seviyeye gelir, böylece dışarıya ısı aktarılmamış olur.
2.3. Isı Dağıtılması
Vücut sıcaklığının ortam sıcaklığına göre aşırı yükseldiği durumlarda vücut dışarı konveksiyon, iletim, radyasyon ve buharlaşma yoluyla ısı aktarmaktadır. Isının yayılması en fazla konveksiyon yolu ile olur. Konveksiyon akışkanlardan sıcaklığı yüksek olanın sıcaklığı düşük olana sıcaklık aktarımı olarak tanımlanabilir ve “doğal yollarla” olan ve “mekanik” yapılan olarak ikiye ayrılabilir. Doğal konveksiyona örnek olarak ısınan havanın yükselmesi verilebilir. Isınan hava hacmi genişleyerek yoğunluğu azaldığı için yukarı çıkmakta yukarıda ise soğuyarak hacmi daralmakta ve yoğunluğu artarak aşağı çökmektedir. Bu hareket doğal yollarla bir hava sirkülasyonu oluşturmaktadır. Yapay konveksiyonda ise ısınan akışkanların hareket etmesi için pompa benzeri yapılardan mekanik destek alınması gerekir. Örneğin yapılan çalışmalar zebralardaki siyah beyaz desenlerin deriyi soğutma etkisinin olabileceğini göstermiştir. Araştırmalara göre zebranın koyu renkli ve açık renkli derisi üzerindeki sıcaklık farkından dolayı cilt yüzeyinde bir hava akımı oluşmakta bu da soğumayı sağlamaktadır.
İletim yolu ile ısı transferinde farklı sıcaklıktaki iki objenin birbiriyle temas etmesi gerekmektedir. İletim yolu ile ısı transferi katılarda ve akışkanlarda olabilir ancak akışkanlarda bunun payı biraz daha düşüktür. Çünkü yoğunluk azaldıkça iletkenlik de azalır. Maddeler katı halden gaz hale geçtikçe moleküller arasındaki mesafeler azalacak dolayısıyla doğrudan temas etme olasılıkları da düşecektir. Malzemelerin kalınlığı arttıkça iletkenlikleri düşer, yoğunlukları ve yüzey alanları arttıkça iletkenlikleri artar. Radyasyonun azaltılmasını sağlamak da ısının dağıtılması için bir yöntemdir. Birçok çöl hayvanı sadece geceleri ya da şafak vaktinde aktiftirler ve gün batana kadar gölgeli, korumalı alanlarda kalırlar. Çölde yaşayan küçük boyutlu hayvanlar genellikle günün en sıcak saatlerinde yeraltındaki yuvalarında sıcaktan korunmaya çalışırlar. Hatta bazı kemirgenler yazın en sıcak aylarında “uyku (estivation)” adı verilen metabolizma hızının minimuma düştüğü bir davranış sergileyerek sıcaklıktan korunmaktadırlar. Isının dağıtılması için bir yöntem ise buharlaşmanın sağlanmasıdır. Nemli yüzeyleri yalayarak geçen hava yüzeyden ısıyı da alarak buharlaşma sağlar. Doğadaki canlılar ise buharlaşmayı, terleme, soluma ve gırtlaklarını titretme hareketi adaptasyonları ile sağlamaktadır. Üst deriyi nemlendirerek ısının dağılmasını sağlayan terleme aşağıdaki şekilde detaylı kesiti verilen ter bezleri sayesinde insanlar da dahil olmak üzere birçok memeli hayvanda görülmektedir. Gırtlak titretme hareketi ise kuşların ağızları açık bir şekilde gırtlaklarını titreterek içeri hava akışını sağlaması böylece serinlemeleridir. Soluma ise hem memeliler hem kuşlar tarafından ısının dağıtılması için kullanılır, mesela köpeklerdeki gibi artan ısının solunum hızının artırılarak dışarı atılmasını sağlar.
2.4. Isınmayı Önleme
Isınmayı önleme özellikle de sıcaklığı yüksek dış ortamlarda canlıların organik yapıların bozulmaması, herhangi bir zarar görmemesi için önemlidir. Organizmalar dokularına zarar verecek boyutlara gelmeden ısınmayı engellemek amacıyla radyasyonu azaltma, ısı emilimini azaltma gibi bazı stratejiler geliştirmiştir.
Güneş radyasyonu ile ısınmayı engellemek için sıcak iklimde yaşayan organizmaların çoğu geceleri aktif olup gündüz etkinliklerini azaltırlar. Vücudun dış ortamla temas eden alanının hacmine oranı ne kadar fazla olursa buharlaşma o kadar fazla olur ancak, aynı zamanda radyasyondan etkilenme oranı da artar. Bu nedenle organizmaların bazı morfolojik özellikleri ihtiyaçlarına göre sivrilir. Mesela kırışık deri yüzeyinde oluşan gölgeli alanlar sayesinde hem radyasyona uğrayacak alanlar gölgelendirilerek azaltılmış hem de terleme gerçekleşecek yüzey alanı artırılmış olur. Isı emilimini azaltmak da ısınmayı engellemenin bir diğer yoludur.
Simonis, Rattal, Oualim, Mouhse ve Vigneron’un siyah ve açık renkli yüzeylerin ısı emilimi üzerine yaptığı çalışmada siyah yüzeylerin ısı emiciliği yüksek olmasına rağmen yalıtım sayesinde ısı transferinin önemli ölçüde azaldığı gözlemlenmiştir. Isı yalıtımında ise yüksek yoğunluklu kıl kaplı kürklerin düşük yoğunluklu olanlara göre daha etkili olduğu, düşük yoğunluklu kürklerin genellikle yalıtımdan ziyade farklı işlevlerden ötürü bulunduğu gözlemlenmiştir.
Açıklanan termoregülasyon yöntemleri olan; ısı kazanımı, ısı korunumu, ısı dağıtılması ve ısınmayı önleme ve bu yöntemleri uygulamak için kullanılan prensipler, sağlanan fonksiyonlar ve doğadaki örnekler aşağıdaki çizelgede gösterilmiştir.
Kaynaklar;
Betül AYDIN YAZICIOĞLU-YAPI KABUKLARININ TERMOREGÜLASYONU: BİYOMİMETİK BİR YAKLAŞIM
Mazzoleni, I. (2013). Architecture Follows Nature, Biomimetic, Principles For Innovative Design. Florida: CRC Press Taylor & Francis Group, 7-121.
McGinnis, S. M. (1970). Flexibility of thermoregulatory behavior in the western fence lizard Sceloporus occidentalis. Herpetologica, 70-76
Johansen, K. ve Bech, C. (1983). Heat conservation during cold exposure in birds (vasomotor and respiratory implications). Polar Research, 1(3), 259-268.
Jones, J. C. ve Oldroyd, B. P. (2006). Nest thermoregulation in social insects. Advances in İnsect Physiology, 33, 153-191.
Arslan Selçuk, S. (2009). A proposal for a non-dimensional parametric ınterface design in architecture: A biomimetic approach. Doctor of Philosophy, Middle East Technical University, Ankara.
Arslan Selçuk, S. ve Gönenç Sorguç, A. (2004). Similarities in structures in nature and man-made structures: Biomimesis in architecture. Design and Nature II, 180, 45-54.
