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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2009.tde-13102009-154825
Documento
Autor
Nome completo
Ricardo Alves Martins
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2009
Orientador
Banca examinadora
Berlinck, José Guilherme de Souza Chaui Mattos (Presidente)
Ferreira, Maurício Silva
Monteiro, Luiz Henrique Alves
Título em português
Termorregulação e depressão metabólica em endotermos.
Palavras-chave em português
Biomatemática
Controle ótimo
Metabolismo animal
Temperatura animal
Resumo em português
A depressão metabólica em aves e mamíferos, dada a alta demanda energética destes animais, se apresenta, geralmente, como resposta às condições de escassez de alimentos e baixas temperaturas. Desta forma, este projeto busca explorar, no campo teórico, como o sistema de termorregulação poderia atuar no sentido de maximizar as reservas energéticas minimizando os gastos metabólicos (depressão metabólica). Para tanto, fazemos uso de teorias da engenharia de controle que propiciam ferramental teórico para analisar como se dariam essas minimizações, ou seja, como o sistema nervoso atuaria estabelecendo um controle (set-point hipotalâmico) que minimizasse estes gastos à medida que se desse o processo de termorregulação. Neste contexto, propomos um modelo básico de termorregulação que leva em conta temperatura corpórea, taxa metabólica e temperatura ambiente, no qual o set-point atua como um controle. Mostramos como este modelo de regulação térmica propicia, devido à sua configuração, significativa redução dos distúrbios causados por variações da temperatura ambiente. Através da teoria de controle ótimo, mostramos como o set-point hipotalâmico pode surgir como resultado da minimização de um funcional relacionado ao custo com a termorregulação. Além disso, fez-se uma análise de como a temperatura ambiente pode definir diferentes situações em termos de vantagens da depressão metabólica como mecanismo de minimização de gasto energético. Para este tipo de análise, propomos um índice de razão entre o custo metabólico constante e o obtido sob atuação do controlador durante o período em que se dá o processo. Após um período em depressão metabólica, os indivíduos devem voltar a sua condição de eutermia, e, em situações de baixa temperatura, o custo deste retorno pode suplantar as vantagens para um dado indivíduo. Assim, são analisadas as influencias da massa corpórea, onde se observa aumento do custo em decorrência da entrada em depressão metabólica por parte dos indivíduos de maior massa. Tal aumento de custo é acentuado nas situações de menor temperatura ambiente. Finalmente, uma análise relativa ao tempo para retorno à condição de eutermia é apresentada, sendo que os resultados vão ao encontro das evidencias atuais sobre a flexibilidade estratégica de muitos hibernantes.
Título em inglês
Thermoregulation and metabolic depression of endotherms.
Palavras-chave em inglês
Animal metabolism
Animal temperature
Biomathematics
Optimal control
Resumo em inglês
Metabolic depression of mammals and birds, animals of high metabolic demands, normally emerges as a response to food shortage and low ambient temperature. The main goal of this research is to explore, in a theoretical perspective, how the thermoregulatory system could extend the energy reserves of these endotherms decreasing metabolic costs under those environmental conditions. To approach the problem, we propose the use of control engineering theories to analyze the way the this minimization could occur, in other words, how the nervous system would act establishing a control (hypothalamic set-point) to minimize those costs during the thermoregulatory process. In this context, we propose a basic thermoregulation model that takes into account body temperature, metabolic rate and environmental temperature, and in which the set-point acts as a control. We show how this model can significantly reduce disturbances generated by ambient temperature. Using optimal control theory, we show how the hypothalamic set-point can emerge as a result of a minimization process of a functional related to thermoregulation costs. Also, how ambient temperature can define different metabolic profiles is explored, in terms of metabolic depression and the necessary return to euthermic conditions. To quantify this analysis we propose an index, based on the ratio between a constant metabolic cost and the metabolic cost defined by the controller. After a period in metabolic depression individuals should return to their euthermic condition, and, in situations of low environmental temperature, it is shown that the cost to return can be larger than the advantages. In this way, analyzing body mass influences we observed increased metabolic depression cost in larger individuals. This cost is even higher under lower environmental temperature. Finally, the cost related to the time elapsed, until the euthermic state is reached again, is considered. These last results are in accordance with current conception about the flexibility in hibernation process.
 
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Data de Publicação
2010-05-19
 
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