معلومة

ما مدى دقة الشعور بالاختلافات في درجات الحرارة؟

ما مدى دقة الشعور بالاختلافات في درجات الحرارة؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لدينا مستقبلات حرارية ، وبالتالي يمكننا استشعار درجة الحرارة (الدافئة والباردة). أنا مهتم بحساسية مستقبلاتنا الحرارية -
ما هو أصغر فرق في درجة الحرارة يمكننا الشعور به؟
أفترض أن الأجزاء / الأعضاء المختلفة قد يكون لها حساسية مختلفة (مثل الشفاه مقابل الأصابع) ، وبالتالي أود تضييق تركيزي على راحة اليد / الأصابع. ولكن إذا كان لدى شخص ما بيانات مقارنة ، فهذا موضع ترحيب أيضًا.


اجابة قصيرة
يمكن تمييز الفروق في درجات الحرارة البالغة 0.02 درجة مئوية ، اعتمادًا على عوامل مختلفة بما في ذلك الظروف التجريبية وموقع الجسم.

خلفية
تعتمد القدرة على تمييز الاختلافات في درجات الحرارة على ما إذا كان نبضًا باردًا أو تدفئة ، ودرجة حرارة الجلد ، ومدة منبه درجة الحرارة ، والعمر ، وموقع الجسم من بين عوامل أخرى. لسوء الحظ ، لا يمكنني الوصول إلى الأدبيات الأولية بخلاف بعض الدراسات الصغيرة المعزولة. ومع ذلك ، فإن Scholarpedia لديها مدخلات لطيفة للغاية ومراجع مرتبطة بها ، وأنا أقتبس:

النظام الحسي الحراري حساس للغاية للتغيرات الصغيرة جدًا في درجة الحرارة وعلى الجلد الخالي من الشعر عند قاعدة الإبهام ، يمكن للناس إدراك اختلاف 0.02-0.07 درجة مئوية في اتساع نبضات تبريد أو 0.03-0.09 درجة مئوية من اثنين من نبضات الاحترار يتم تسليمها في اليد. تكون عتبة الكشف عن التغير في درجة حرارة الجلد أكبر من عتبة التمييز بين نبضتي تبريد أو تسخين يتم توصيلهما إلى الجلد. عندما يكون الجلد عند قاعدة الإبهام عند 33 درجة مئوية ، فإن عتبة الكشف عن زيادة في درجة الحرارة هي 0.20 درجة مئوية وهو 0.11 درجة مئوية لاكتشاف انخفاض في درجة الحرارة.

يؤثر معدل تغير درجة حرارة الجلد على مدى سهولة اكتشاف الأشخاص للتغير في درجة الحرارة. إذا تغيرت درجة الحرارة ببطء شديد ، على سبيل المثال بمعدل أقل من 0.5 درجة مئوية في الدقيقة ، فيمكن أن يكون الشخص غير مدرك لتغير درجة الحرارة بمقدار 4-5 درجات مئوية ، بشرط أن تظل درجة حرارة الجلد داخل درجة الحرارة المحايدة. منطقة 30-36 درجة مئوية. إذا تغيرت درجة الحرارة بسرعة أكبر ، على سبيل المثال عند 0.1 درجة مئوية / ثانية ، فسيتم الكشف عن انخفاضات طفيفة وزيادة في درجة حرارة الجلد. [...]

كنت مهتمًا أيضًا بجلد الراحية: هنا متوسط ​​فرق الحد الأدنى هو 0.02 - 0.06 درجة مئوية ، اعتمادًا على درجة الحرارة المستخدمة. تم الحصول على هذه القيم باستخدام نبضات التبريد. بعبارة أخرى ، كانت الفروق في نبضتي تبريد تتراوح بين 0.02 - 0.06 درجة مئوية ملحوظة ، مع وجود حدود أعلى مطلوبة للنبضات الأعلى. درجات الحرارة الأساسية (29 - 39 درجة مئوية) لها تأثير ضئيل (داريان سميث وآخرون ، 1977).

المرجعي
داريان سميث وآخرون J إنفست ديرمات 1977;69:146-53

ملحوظة
ال ستيفنز ، ج.سي ، وتشو ، ك.ك. (1998). حساسية درجة حرارة سطح الجسم على مدى العمر الافتراضي. أبحاث الحسية الجسدية والحركية، 15 (1) ، 13-28 المقالة كما علق عليها Corvus هي بالفعل يجب قراءتها ، لكن مكتبتي uni لا تستطيع الوصول إليها للأسف
.


الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة

يتم دراسة مفهوم الحرارة ودرجة الحرارة معًا في العلم ، وهو مرتبط إلى حد ما ولكن ليس متشابهًا. المصطلحات شائعة جدًا ، نظرًا لاستخدامها الواسع في حياتنا اليومية. يوجد خط رفيع يفصل الحرارة عن درجة الحرارة ، بمعنى ذلك الحرارة يُعتقد ، كشكل من أشكال الطاقة ، ولكن درجة الحرارة هو مقياس للطاقة.

الفرق الأساسي بين الحرارة ودرجة الحرارة طفيف ولكنه مهم ، الحرارة هي الطاقة الكلية للحركة الجزيئية ، في حين أن درجة الحرارة هي متوسط ​​طاقة الحركة الجزيئية. لذا ، دع & # 8217s نلقي نظرة على المقالة الواردة أدناه ، والتي قمنا فيها بتبسيط الاثنين من أجلك.


الجو حار هنا

ونسخ ISTOCK.COM/KTSIMAGE/ERAXION E ven ، عرف العلماء الأوائل أن درجة الحرارة كانت علامة حيوية مهمة ، تدل على المرض أو الصحة. في القرن السابع عشر ، اخترع الفيزيولوجي الإيطالي سانكتوريو سانكتوريوس مقياس حرارة فموي لمراقبة المرضى. الآن ، وضع باحثو القرن الحادي والعشرين لأنفسهم مهمة جديدة أكثر صعوبة: قياس درجات حرارة الخلايا الفردية.

& ldquo درجة الحرارة هي نوع واحد من المعلمات الفيزيائية الأساسية التي تنظم الحياة ، ويقول ميخائيل لوكين ، الفيزيائي في جامعة هارفارد الذي طور مستشعر درجة حرارة داخل الخلايا قائم على الألماس. & ldquo يحدد سرعة جميع أنواع العمليات التي تحدث داخل الأنظمة الحية. & rdquo

ولكن على الرغم من أن درجة الحرارة هي علامة حيوية أساسية ، فإن العلماء لديهم فهم ضعيف نسبيًا لكيفية اختلافها بين الخلايا وداخلها. & ldquo اتضح أن قياس درجة الحرارة بشكل موثوق داخل الخلية ليس بالأمر السهل ، كما يقول Lukin. & ldquo لا يمكنك لصق ميزان حرارة كبير هناك والحفاظ على صلاحية الخلية. & rdquo

لكن في السنوات الخمس الماضية.

على الرغم من أن الاختلافات في درجات الحرارة داخل الجسم تميل إلى الاختلاف في درجات قليلة ، إلا أن الباحثين بدأوا في الشك في أن الاختلافات الطفيفة يمكن أن تغير كيمياء الخلايا ووظائفها ، أو تنبه الأطباء إلى النمو السرطاني. هنا، العالم يلخص عدة طرق لفحص كيفية تأثير درجة الحرارة على ما يجري داخل الخلايا.

الضرب على النقاط الساخنة
الأشياء الساخنة: (اللوحة العلوية) تصميم مقياس حرارة فلورسنت مصغر تم تطويره في مختبر Seiichi Uchiyama. عندما يكون الترمومتر باردًا ، فإن العمود الفقري للبوليمر (الأخضر) يحافظ على هيكل مفتوح. تعمل جزيئات الماء على إخماد وحدة الفلورسنت (الموضحة هنا كنجمة). مع ارتفاع درجات الحرارة ، يطوي مقياس الحرارة ويحمي وحدة الفلورسنت من الماء ، مما يسمح لها بالتوهج. (اللوحة السفلية) يكشف مقياس الحرارة أن نواة خلية قرد مستنبت ، في المتوسط ​​، أكثر سخونة بدرجة واحدة من السيتوبلازم. NAT COMMUN ، 3: 705 ، 2012 الباحثون: Seiichi Uchiyama ، جامعة طوكيو مادوكا سوزوكي ، جامعة واسيدا ، سنغافورة

هدف: تؤثر درجة الحرارة على عدد لا يحصى من العمليات في الخلية ، من التعبير الجيني إلى تفاعلات البروتين والبروتين. يسعى سوزوكي وأوتشياما وزملاؤهم إلى قياس الاختلافات الطفيفة في درجة الحرارة بين أجزاء مختلفة من الخلايا. قد يلقي هذا الضوء على كيفية توليد الحرارة في الجسم وكيف يغير التباين المحلي في درجة الحرارة كيمياء الخلية.

مقاربة: يمكن أن تتغير المستشعرات التي تحتوي على أصباغ فلورية أو نقاط كمومية أو مواد متوهجة أخرى في السطوع حسب درجة الحرارة. في السنوات العديدة الماضية ، صنع الباحثون موازين حرارة فلورية دقيقة يمكن للخلايا أن تبتلعها. باستخدام الفحص المجهري ، يمكن للباحثين اكتشاف توهج موازين الحرارة وتقييم درجة الحرارة داخل الخلايا.

بدأ Uchiyama لأول مرة في رسم خرائط توزيع درجة الحرارة داخل الخلايا المفردة في عام 2012 ، ونشر تصميمه لميزان حرارة بوليمري فلوري (نات كومون3: 705). يتكون مقياس الحرارة من جزيء فلوري متصل بسلسلة بولي أكريلاميد يتغير شكلها مع درجة الحرارة ، إما إخماد أو تنشيط الفلورة. تمكن الباحثون من إظهار أن النواة أكثر دفئًا من السيتوبلازم وأن الميتوكوندريا تشع حرارة كبيرة في خط خلوي مشتق من الكلى القرد. (هذه النتائج مثيرة للجدل ، انظر "مشكلة درجة الحرارة" أدناه).

نشر Uchiyama منذ ذلك الحين تصميمات أخرى لمستشعرات الفلورسنت ، وقد طور مؤخرًا مقياس حرارة بوليمري فلوري أسرع يعتمد على النظر إلى نسبة التألق للفلوروفور الحساس لدرجة الحرارة إلى غير حساس لدرجة الحرارة (المحلل، 140: 4498-506، 2015). استخدم الباحثون المستشعر لقياس درجة حرارة خلايا الكلى الجنينية البشرية ، ووجدوا أن النواة كانت أكثر دفئًا بمقدار 1 درجة مئوية تقريبًا من السيتوبلازم.

عندما بدأ سوزوكي في تصميم مقياس حرارة لأول مرة ، يتذكر أنه كان يضغط برفق على إبرة زجاجية تحتوي على صبغة فلورية محاطة بطرفها ضد أغشية الخلايا ومعرفة ما إذا كان التألق قد تغير مع ارتفاع درجة الحرارة (بيوفيس ج، 92: L46-L48، 2007). في النهاية ، بدأ هو وزملاؤه في تجربة صنع جسيمات نانوية فلورية يمكنهم إدخالها في الخلايا. لا يمكن أن تتعرض جزيئات الفلورسنت للبيئة الكيميائية للخلية ، لأن هذا يمكن أن يغير سطوعها. يقول سوزوكي: "يجب أن تقرأ مقاييس الحرارة النانوية التغير في درجة الحرارة ويجب ألا تستجيب للتغيرات البيئية [الأخرى]".

لحماية المراسلين الفلوريسنت ، قام الباحثون بدمج الجزيئات في بوليمر كاره للماء ثم غلفوا هذا اللب الكاره للماء داخل غلاف بوليمر محب للماء ، مما خلق جزيئات يبلغ قطرها في المتوسط ​​140 نانومتر. لمزيد من الحماية ضد سوء التفسير ، تضمنت سوزوكي نوعين من الفلوروفور ، أحدهما حساس للحرارة والآخر غير حساس. من خلال قياس نسبة سطوع الفلوروفور ، وجد الفريق أنه في الخلايا السرطانية البشرية المستزرعة يتم تحفيزها بمواد كيميائية تحفز الخلايا على إنتاج الحرارة ، وتختلف درجة الحرارة محليًا (ACS نانو, 8:198-206, 2014).

طور الفريق منذ ذلك الحين مقياس حرارة جزيء صغير يتكون من صبغة فلورية صفراء تستهدف على وجه التحديد الميتوكوندريا ، محركات توليد الحرارة في الخلية (كيم كومون ، 51: 8044-47 ، 2015). يستهدف ترمومتر جزيء صغير آخر الشبكة الإندوبلازمية - وهي عضية يبدو أنها تساعد الخلية أيضًا على توليد الحرارة (ممثل العلوم ، 4:6701, 2014).

يأمل سوزوكي في أن يتمكن يومًا ما من تطوير موازين حرارة داخل الخلايا ذات أوقات استجابة أسرع وحساسية أكبر لدرجة الحرارة حتى يتمكنوا من تحديد النقاط الساخنة الأخرى لإنتاج الحرارة في الخلية. في الوقت الحالي ، كما يقول ، تكافح أجهزة الاستشعار لالتقاط دفعات صغيرة من الحرارة التي تنتشر بسرعة. يقول سوزوكي: "تعتبر الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية مصادر للحرارة" ، وكذلك الأتوميوسين في خلايا العضلات. "قد تكون هناك مصادر حرارة أخرى لم نتخيلها من قبل."

إبرق كالألماس
الخلايا الممزقة: يقوم ميخائيل لوكين وزملاؤه بتسخين الخلايا عن طريق تسليط أشعة الليزر على جزيئات الذهب وقياس درجات الحرارة الداخلية للخلايا عن طريق اكتشاف حالات الدوران للعيوب في الألماس النانوي. طبيعة سجية, 500:54-58, 2013 الباحث: ميخائيل لوكين ، جامعة هارفارد

هدف: يحلم لوكين ومعاونوه باستخدام درجة الحرارة داخل الخلايا لفرز الخلايا السليمة من الخلايا المريضة ، وتنظيم العمليات الخلوية عن طريق تسخينها أو تبريدها. يقول: "إنه يفتح مجموعة واسعة من الاحتمالات".

مقاربة: سعى Lukin ، الفيزيائي ، إلى تمييز نفسه عن العبوة عن طريق صنع موازين الحرارة من بلورات الماس النانوية بدلاً من الأصباغ الفلورية أو البوليمرات. ويشرح قائلاً: "لقد استفدنا من عيوب كمومية أساسية في الماس ، والتي تسمى مراكز شغور النيتروجين". "إنه عيب حيث يحل النيتروجين محل الكربون."

تحتوي مراكز شواغر النيتروجين على حالات دوران ذرية تغير اتجاهها عند الاضطراب بالضوء أو المجالات المغناطيسية أو درجة الحرارة. يقول لوكين: "إذا تغيرت درجة حرارة البلورة النانوية ، فإن ما يحدث هو أن الفصل بين ذرات الكربون في البلورة النانوية يتغير قليلاً" ، مما يغير حالة دوران الإلكترونات. عندما يضيء الباحثون ليزرًا على بلورات الماس النانوية ، تتوهج الشوائب ، وتنبعث منها فلورة متفاوتة حسب حالة دورانها ودرجة حرارتها. (راجع "مراقبة الأخطاء المغناطيسية" ، العالم، أكتوبر 2013.)

لاختبار طريقتهم ، أدخل الباحثون أيضًا جزيئات الذهب النانوية في الخلايا وقاموا بتسخين الجسيمات بالليزر ، مما سمح للوكين وفريقه بالتحكم في درجات حرارة الخلايا ومراقبة كيفية عمل التحكم في درجة حرارتها. وجد الباحثون أنه يمكنهم اكتشاف تغييرات صغيرة تصل إلى 0.0018 درجة مئوية (طبيعة سجية, 500:54-58, 2013).

يستخدم Lukin والمتعاونون الآن درجة الحرارة لاستكشاف تطور الديدان والتحكم فيها.

"قد يسمح لك بتنظيم العمليات المختلفة داخل الخلية بشكل انتقائي" ، كما يقول. "قد يسمح لك بتسريع تطوير بعض العمليات ، أو إبطاء تطوير عمليات أخرى ، أو قتل الخلية إذا كنت لا تريد أن تلعب هذه الخلية المحددة دورًا بعد الآن."

قاتلة السرطان
حبة متعددة الأغراض: قام ميلان وكارلوس ببناء حبات دقيقة تعمل على تسخين الخلايا وقياس درجة حرارتها. تكشف الأيونات الفلورية (الحمراء) درجة الحرارة. وهي تغلف الجسيمات النانوية المغناطيسية (البرتقالية) التي توفر الحرارة عند تعرضها لمجال مغناطيسي. للحماية ، تغلف غلاف بوليمر (أخضر وأزرق) مقياس حرارة السخان المدمج. ACS نانو, 9:3134-42, 2015 الباحث: لويس كارلوس ، جامعة أفيرو ، البرتغال Angel Millán ، معهد علوم المواد في أراغون ، CSIC- جامعة سرقسطة ، إسبانيا

هدف: يحاول كارلوس وميلان قتل الأورام عن طريق تطبيق مستويات مميتة من الحرارة بشكل انتقائي على الخلايا السرطانية ، مما يخلق تدرجات في درجة الحرارة تدمر الجزيئات الحيوية وتؤدي إلى موت الخلايا. لكن الجهود المبذولة لقتل الخلايا السرطانية باستخدام ارتفاع الحرارة تميل إلى التعثر بسبب الافتقار إلى طريقة جيدة لضمان سخونة الخلايا السرطانية بدرجة كافية بينما تظل الأنسجة المحيطة باردة بدرجة كافية.

مقاربة: صمم كارلوس وميلان مؤخرًا جسيمات نانوية عبارة عن سخان ومقياس حرارة (ACS نانو، 9: 3134-42، 2015). يستخدم الباحثون الذين يأملون في تسخين الخلايا وقياس درجات حرارة الخلايا بشكل عام جزيئات منفصلة للمهمتين. أراد كارلوس وميلان التأكد من أنهما يقيسان درجة الحرارة بالضبط عند مصدر الحرارة ، حيث يمكن للحرارة أن تتبدد بسرعة على مسافات قصيرة في الخلايا. يقول كارلوس: "إذا لم يكن لدينا مقياس حرارة على اتصال فعليًا بالسخان ، فلن نتمكن من قياس درجة الحرارة المحلية الفعالة".

يتكون السخان من حبة مغناطيسية تسخن عند تعرضها لمجال مغناطيسي. يتكون مقياس الحرارة من اثنين من الأيونات الفلورية ، أحدهما يغير السطوع مع تغيرات في درجة الحرارة. هذه كلها محاطة بغلاف بوليمر.

توجد بالفعل تجارب سريرية تختبر استخدام التسخين المحرض بالخرز المغناطيسي لقتل السرطان. لكن الباحثين يعتقدون أنه من خلال مقاييس حرارة السخان المدمجة ، يمكنهم تسخين الخلايا بشكل أكثر دقة ، مما يقلل من عدد الجسيمات النانوية المطلوبة والأضرار الجانبية التي تتجاوز الورم.

يقول ميلان: "إذا استوعبت الجسيمات النانوية داخل الخلايا السرطانية تحديدًا ، فربما يكفي القليل منها للحث على موت الخلايا". يقوم الباحثون حاليًا بتسخين الخلايا في المزرعة ومراقبة درجة حرارتها وردود أفعالها.

أكثر من عمق الجلد
المضي قدمًا: ابتكر Jaque وزملاؤه مقياسًا نانويًا للحرارة يمكنه استشعار درجة الحرارة تحت الجلد. (أعلى اليسار) يتكون مقياس الحرارة من نقاط كمية حساسة لدرجة الحرارة وجسيمات نانوية فلورية غير حساسة لدرجة الحرارة ، وكلها مدمجة في بوليمر متوافق حيويًا. (يسار وما فوق) صورة المجهر الإلكتروني للإرسال لمقياس الحرارة النانوي مادة ADV, 27:4781-87, 2015 الباحث: دانيال جاك ، جامعة مدريد المستقلة

هدف: يأمل فريق Jaque في تطوير طرق لقياس درجة الحرارة تحت جلد الحيوانات وفي نهاية المطاف في الأنسجة البشرية في الجسم الحي باستخدام مستشعرات درجة الحرارة التي تعطي إشارات الفلورسنت التي تخترق اللحم.

مقاربة: معظم مقاييس الحرارة النانوية لها قيود رئيسية: فهي تصدر موجات ضوئية في النطاق المرئي. يعمل هذا بشكل جيد لمراقبة الخلايا في الثقافة أو حتى في الجسم الحي في كائنات شفافة نسبيًا ، مثل الديدان. لكن الضوء المرئي لا يستطيع أن يخبر الباحثين بالكثير عن الخلايا الموجودة تحت الجلد في الكائنات الحية السليمة والمعتمة. وفي الوقت نفسه ، يتم امتصاص الكثير من طيف الأشعة تحت الحمراء بشكل كبير بواسطة الماء ، وهو وفير في الأنسجة.

ومع ذلك ، هناك نطاقات من الأطوال الموجية التي تخترق الأنسجة وتتجنب مشكلة امتصاص الماء. يعتبر الضوء بين 650 و 950 نانومتر - أحمر قريب من الأشعة تحت الحمراء - نافذة بيولوجية واحدة. يشكل ضوء الأشعة تحت الحمراء بين 1000 و 1350 نانومتر نافذة بيولوجية ثانية.

طور Jaque وزملاؤه مقياس حرارة يعتمد على التألق الذي يمكن أن يكون متحمسًا وقراءته في هذه النوافذ البيولوجية. في الآونة الأخيرة ، صمم Jaque وباحثة ما بعد الدكتوراة Emma Martín Rodríguez وزملاؤه مقياس حرارة متحمسًا في النافذة البيولوجية الأولى ويصدر إشارات في الثانية (أدف ماتر ، 27:4781-87, 2015).

يتكون مقياس الحرارة من نقاط كمومية ، يتم إخماد فلورتها بارتفاع درجات الحرارة ، وجسيمات نانوية فلورية غير حساسة لدرجة الحرارة ، وكلها مغلفة في بوليمر معتمد من إدارة الغذاء والدواء.

باستخدام التقنيات الحالية ، من الممكن الشعور بدرجة حرارة حوالي 1 سم تحت جلد الحيوانات. ولكن للانتقال إلى التطبيقات الطبية على البشر ، سيحتاج الباحثون إلى استشعار درجات الحرارة عند مستويات أعمق بكثير. "نحن فقط في بداية التاريخ" ، يقول جاك.

في النهاية ، يأمل Jaque في استخدام مقاييس الحرارة النانوية لتوجيه المعالجة الحرارية للسرطان. يقول: "إنك تقوم بإدخال الجسيمات النانوية التي تعطي قياسًا في الوقت الفعلي لدرجة الحرارة داخل جسمك". ثم ، أثناء تسخين الورم ، "يمكنك ضبط العلاج بحيث لا يحرق الجسم".

كمية درجة الحرارة

اعترض بافو على المستويات العالية لتوليد الحرارة الموضحة في هذه الصورة من Uchiyama's 2012 اتصالات الطبيعة ورق. تُظهر الصورة ارتفاعات كبيرة في درجة الحرارة المحلية (أسهم بيضاء) بالقرب من الميتوكوندريا في خلية قرد حية. يمثل الحرف N النواة. NAT COMMUN، 3: 705، 2012 قام باحثون من ضمنهم Madoka Suzuki و Seichii Uchiyama مؤخرًا بقياس ما يبدو أنه زيادات كبيرة في درجات الحرارة في الخلايا الحية. في بعض الحالات ، تصل الاختلافات في درجات الحرارة إلى بضع درجات مئوية - على الرغم من عدم وجود أي تدفئة خارجية للخلايا. في سبتمبر 2014 ، طعن مجموعة من الباحثين الفرنسيين في هذه النتائج ، مما أدى إلى إثارة ذهابًا وإيابًا لمدة عام كامل في صفحات طرق الطبيعة (11:899-901, 2014 12:801-03, 2015).

أجرت المجموعة الفرنسية حسابات يبدو أنها تُظهر أن خلية واحدة فقط ليس لديها طاقة كافية لتوليد مثل هذا الفارق الكبير في درجات الحرارة بمفردها. يقول المؤلف المشارك Guillaume Baffou من معهد Fresnel التابع لجامعة Aix-Marseille: "الجلوكوز جزيء داخل الخلايا تأتي منه الطاقة". "إذا ملأت الحجم الكامل للخلية بالجلوكوز ، ومن الواضح أن الأمر ليس كذلك ، وإذا قمت بحرق الجلوكوز ، فلن تحقق زيادة في درجة الحرارة بدرجة واحدة."

"إذا طبقنا القوانين التقليدية للديناميكا الحرارية. . . لقد توصلنا إلى استنتاج مفاده أنه من غير الممكن وجود اختلافات في درجة الحرارة داخل الخلية حول درجة واحدة ناتجة عن ردود فعل داخلية ، "يتفق لويس كارلوس من جامعة أفيرو في البرتغال ، والذي لم يشارك في المراسلات. "ولكن من وجهة نظر تجريبية ، هناك العديد من الأعمال التي قام بها العديد من المؤلفين حول العالم والتي تظهر اختلافات في درجات الحرارة أكبر من درجة واحدة."

أحد الاحتمالات هو أن الباحثين الذين لاحظوا الزيادات الكبيرة في درجات الحرارة في الخلايا كانوا ببساطة يرتكبون أخطاء تجريبية. يقول كارلوس: "الفرضية الأخرى هي أن هناك شيئًا ما يحدث على المقاييس الدقيقة والنانوية فيما يتعلق بنقل الحرارة [لم يتم وصفه جيدًا بواسطة الديناميكا الحرارية التقليدية".

يوافق سوزوكي على أنه من المستحيل أن ترتفع درجة حرارة الخلية بأكملها بدرجة كاملة دون إدخال حرارة خارجية. ومع ذلك ، "يجب ألا يأخذ الحساب في الاعتبار درجة حرارة الخلية بأكملها ، كرة الماء ، ولكن حجم صغير داخل الخلية حيث يتم إنتاج الحرارة وقياس درجة الحرارة." يقول سوزوكي إن الخطوة التالية ستكون قياس التوصيل الحراري للخلايا الحية ، حيث تملأ جميع عضياتها وبروتيناتها الجزء الداخلي. قد يساعد هذا في تفسير ما إذا كانت المناطق المحلية من الخلايا يمكن أن تسخن وكيف يمكن للخلية بشكل عام ألا تعاني من تغير جذري في درجة الحرارة.

يقول بافو: "لا تزال البيولوجيا الحرارية في مهدها". "لا توجد خرائط موثوقة لدرجة حرارة الخلايا."


س10 في علم الأحياء اليومي

في علم الأحياء اليومي ، نحن مهتمون بفهم العمليات البيولوجية التي "توقف" الوقت وتؤدي إلى فترة التشغيل الحر للكائن الحي (FRP). إذا زادت معدلات هذه العمليات مع زيادة درجة الحرارة ، فستعمل الساعة بسرعة ، وسيستغرق الأمر وقتًا أقل "للدقات". نتوقع بعد ذلك أن ينخفض ​​FRP مع زيادة درجة الحرارة. ولكن في الواقع ، تميل FRPs للكائنات إلى أن يكون لها Q10 التي هي قريبة من (ولكن ليس بالضبط) 1: تتغير FRPs قليلاً نسبيًا مع التغيرات في درجة الحرارة. ويتضح هذا في الشكل أدناه. يرسم الخط الأزرق مدى اختلاف FRP مع زيادة درجة الحرارة إذا كان لديه Q10= 1.1 يرسم الخط الأحمر مدى اختلاف FRP مع زيادة درجة الحرارة إذا كان لديه Q10= 2.0. تبدو البيانات التي يلاحظها المرء لمعظم الإيقاعات اليومية أشبه بالخط الأزرق من الخط الأحمر.

لقول ذلك لإيقاعات الساعة البيولوجية ، س10& # 87731 هي طريقة أكثر دقة للتعبير عن أن الساعة تعوض درجة الحرارة.

على الرغم من أن الساعات اليومية يتم تعويض درجة الحرارة فيها ، بصير التغيرات في درجة حرارة البيئة يمكن أن تعمل في الواقع zeitgebers، والعديد من الكائنات الحية & # 8217 الساعات يمكن أن تدخل في دورة درجة حرارة منتظمة ، أو إلى زيادة أو نقصان متكرر في درجة الحرارة. هذا ينطبق بشكل خاص على الكائنات الحية التي لا تنظم درجة حرارة أجسامها. في الكائنات الحية (مثل الثدييات) التي تنظم درجة حرارة الجسم ، يكون لتغيير درجة حرارة البيئة تأثير أقل. بالنسبة لمعظم الكائنات الحية ، يكون الضوء أقوى بكثير zeitgeber من درجة الحرارة. ومع ذلك ، نظرًا لأن درجة الحرارة يمكن أن يكون لها تأثير على الساعة ، يمكن للمرء أن يتوقع بعض الاختلاف الفردي في FRPs (حتى في الكائنات الحية من نفس النوع) إذا تعرضوا لدرجات حرارة مختلفة.

لتلخيص هذا القسم: من المبالغة في التبسيط التفكير في أن جميع الكائنات الحية من نفس النوع لها نفس FRP بالضبط ، نظرًا لأن عوامل مثل شدة الإضاءة والتأثيرات اللاحقة ودرجة الحرارة يمكن أن تنتج جميعها اختلافات فردية.

3.2 معايير Entrainment ، والفترات الضوئية للهيكل العظمي ، ومنحنيات استجابة المرحلة

من المهم أن نفهم أن التزامن & # 8211 تزامن الساعة مع الظروف البيئية & # 8211 ينطوي على تأثير zeitgeber على & # 8220gears & # 8221 الفعلية للساعة البيولوجية ، أي تغيير في الآليات الجزيئية الداخلية التي تنظم أنشطة الكائن الحي & # 8217s. يجب التمييز بين الإخفاء (انظر & # 1672.2 في الجزء الثاني) بعناية من الإيقاع الحقيقي. هناك أربعة معايير محددة لتحديد متى ينجذب الكائن الحي إلى إشارة. لقد تطرقنا إلى كل واحد منهم أعلاه ، لكننا سنذكرهم الآن بشكل أوضح. تتوفر أيضًا مراجعة لجميع المعايير الأربعة في الفيديو أدناه ، المسمى & # 8220Properties of Entrainable Oscillators. "

أولاً ، من أجل الادعاء بأن كائنًا ما مقيد إلى كائن معين zeitgeber الجدول الزمني ، يجب أن يكون هناك لا توجد إشارات زمنية أخرى يقدم للكائن الحي. على سبيل المثال ، إذا أراد المرء أن يُظهر أن النباتات تدخل في دورات مظلمة فاتحة ، فيجب على المرء أن يتحكم في دورات درجة الحرارة: إذا أخضع المرء النبات في نفس الوقت لدورات درجة حرارة متزامنة ودورات ضوئية ، فعندئذ حتى لو كان النبات مغرورًا ، فلن تكون هناك طريقة لتأكيد أن النبات قد انجرف إلى الضوء وليس إلى درجة الحرارة. لن يكون هناك دعم قوي للادعاء بأن الضوء كان بمثابة zeitgeber.

ثانيًا ، كلما أ zeitgeber موجود ، يجب على الكائن الحي مزامنة إيقاعاته ، بحيث يكون فترة يطابق ال zeitgeber & # 8217s. (يسمى هذا أحيانًا متطلبات فترة التحكم بواسطة zeitgeber). على سبيل المثال ، إذا فرض المجرب أ zeitgeber مع دورية (مصطنعة) تبلغ 24.3 ساعة (a & # 8220long day & # 8221 الذي لن يحدث بشكل طبيعي) ، يجب أن يكون الماوس قادرًا على الانخراط في هذه الدورة. إذا كان zeitgeber فعال بالفعل ، نتوقع ظهور نشاط الماوس مرة واحدة كل 24.3 ساعة. في معظم الحالات ، تكون متطلبات التحكم في الفترة واضحة من خلال ضبط FRP لتتناسب مع 24 ساعة و 160zeitgeber.

ثالثا ، فعال zeitgeber يجب أن يظهر أن يكون له تأثير المزامنة بشكل موثوق. على سبيل المثال ، إذا أخذنا نفس الكائن الحي وأخضعناه لنفسه مرة أخرى zeitgeber الجدول الزمني ، ثم يجب على الكائن الحي أن ينجذب إليه مرة أخرى ، بنفس التوقيت النسبي لـ zeitgeber دورة. يجب أن نرى مرة أخرى (على سبيل المثال) أن بداية النشاط تحدث مرة واحدة كل 24.3 ساعة ، و (إذا كان كائنًا ليليًا مثل الفأر) ، يجب أن يحدث بداية النشاط في بداية المرحلة الليلية. (وهذا ما يسمى متطلبات أ علاقة طور مستقرة وقابلة للتكرار بين ال zeitgeber والإيقاع الداخلي).

رابعًا ، إذا كان الكائن الحي مقيدًا حقًا إلى a zeitgeber، ثم عندما نزيل ملف zeitgeber، شيئين يجب أن يحدث. أولاً ، يجب أن يبدأ الكائن الحي في الجري بحرية ، حيث لم تعد إشارات الالتفاف والمزامنة موجودة. ثانيًا ، إذا كانت "التروس" على مدار الساعة قد تأثرت بالفعل بالحاطة السابقة ، فينبغي أن يبدأ الكائن الحي في التحرك بحرية بطريقة يتم تحديدها من قبل ، ويمكن التنبؤ بها ، من خلال انحرافها السابق. (وهذا ما يسمى شرط التحكم في الطور.) هذا ما يمكننا من استبعاد مجرد قناع كتفسير بديل للتدخل (الظاهر فقط) الذي يتأثر فيه فقط & # 8220hands & # 8221 على مدار الساعة.

يتم توضيح المتطلبات الأربعة بشكل تخطيطي في الشكل 3.2 أدناه.

الشكل 3.2 معايير Entrainment.

(أ) كائن نهاري يعمل بحرية مع فترة طويلة مميزة (& gt24h) في ظلام مستمر ، وجميع الكائنات الأخرى zeitgebers # 160التي يمكن السيطرة عليها ثابتة.

(ب) يدخل الكائن الحي بسرعة في دورة LD12: 12 المفروضة. يشير التظليل الأصفر إلى مرحلة الضوء. (يحتاج المرء أحيانًا إلى قراءة التعليقات: لا يتم دائمًا عرض الأشرطة التقليدية بالأبيض والأسود للإشارة إلى دورات LD). منذ الآخر zeitgebers تمت إزالته (انظر أ أعلاه) ، هذا دليل جزئي على أن دورة الضوء والظلام فعالة zeitgeber. يتزامن الكائن الحي مع دورة صعوبة التعلم كما يتضح من مجموعات الأنشطة المحاذاة رأسياً. وبالتالي ، فإن فترة إيقاع النشاط تتطابق مع فترة zeitgeber (24 ساعة) يفي بشرط فترة التحكم.

(ج) تتم إزالة دورة LD ، ويتم تشغيل الكائن الحي مرة أخرى بشكل حر. إن FRP هو & gt24h كما كان من قبل ، ولكن بداية النشاط يمكن التنبؤ بها بناءً على المرحلة السابقة والمضمونة من النشاط في ب. لاحظ الخط الأحمر من خلال عمليات البدء المتتالية جزئيًا أ لا يتماشى مع الخط المماثل للجزء & # 160ج. وبالتالي ، يجبر في ب تمارس السيطرة على مراحل الساعة لإنتاج عدة ساعات من الإزاحة في فترات التشغيل الحر ، مما يدل على ذلك التحكم في الطور بالضوء.

(د) يتم فرض دورة درجة حرارة HotCold12: 12 لتقليد دورة LD السابقة (يشير التظليل الأحمر إلى وقت درجات الحرارة المرتفعة). أثناء دورة HotCold ، يكون الكائن الحي في ظلام دامس بحيث يمكن فحص تأثيرات الضوء ودرجة الحرارة بشكل منفصل. للوهلة الأولى ، يبدو أن النشاط يتزامن مع دورة درجة الحرارة. لمعرفة ما إذا كان هذا هو الجاذبية حقًا ، يجب علينا مرة أخرى إزالة الافتراض zeitgeber (درجة الحرارة) لمعرفة ما سيحدث.

(ه) تتم إزالة دورة درجة الحرارة ، ويتم تشغيل الكائن الحي. لاحظ أن بداية النشاط ليس يمكن التنبؤ به من البداية السابقة للنشاط أثناء دورة درجة الحرارة في د: لا يوجد دليل على التحكم في الطور حسب درجة الحرارة. بدلا من ذلك ، المقارنة ج إلى ه& # 160 باتباع الخط الأحمر ، كانت ساعة الكائن الحي تعمل بحرية طوال الوقت د: كان مجرد التزامن الظاهري لدورة درجة الحرارة مجرد شكل من أشكال الإخفاء.

(F) يتم فرض دورة صعوبة التعلم مرة أخرى ، ويدخل الكائن الحي بسرعة مرة أخرى ، مما يدل على أ علاقة طور مستقرة ومتكررة.

حتى الآن ، ناقشنا الانجراف إلى دورات صعوبة التعلم حيث يكون الضوء موجودًا طوال فترة طويلة. في دورة LD12: 12 ، يتلقى الكائن الحي 12 ساعة كاملة من الضوء. لكن لاحظ أن المعايير الأربعة للتجريد لا تتطلب أن zeitgeber يشبه يومًا طبيعيًا بهذه الطريقة (تمامًا مثل a zeitgeber لا يجب أن يكون تي = 24 ساعة). يمكن أيضًا أن يفي الجدول الزمني المنتظم لنبضات الضوء القصيرة بمعايير السحب. في الكائنات شديدة الحساسية للضوء ، ثبت أن نبضة ضوئية يومية منتظمة لمدة ثانية واحدة فقط كافية للحفاظ على الالتفاف. في العديد من الكائنات الحية ، يمكن الحفاظ على الالتفاف مع نبضة ضوئية يومية لمدة 15-60 دقيقة. لأسباب ستتضح لاحقًا ، سيحقق المحققون في بعض الأحيان في الاحتجاز تحت الفترات الضوئية الهيكلية حيث يتم إعطاء نبضتين ضوئيتين يومياً. بدلاً من طور ضوء كامل مدته 12 ساعة ، على سبيل المثال ، قد يستبدل المحقق 12 ساعة من الضوء بنبضتين مدتهما ساعة واحدة: واحدة في البداية والأخرى في نهاية فترة 12 ساعة. في ظل هذه الظروف ، يكون الالتفاف مشابهًا جدًا لتلك التي تظهر مع فترة ضوئية مدتها 12 ساعة. وهذا يدل على أن الضوء عند الفجر والغسق (بداية النهار ونهايته) يقوم بمعظم أعمال التسلق. ويرد مثال في الشكل 3.3 أدناه.

الشكل 3.3: رسم تخطيطي مزدوج ، يُظهر كائنًا مقيدًا في فترة ضوئية للهيكل العظمي.
تشير الأشرطة السوداء والبيضاء في الجزء العلوي إلى وقت تشغيل وإطفاء الأضواء.

في كل من دورات LD والفترات الضوئية الهيكلية ، يتعرض الكائن الحي للتأثير الدوري للبعض zeitgeber. لكن الفترات الضوئية للهيكل العظمي تُظهر أن نبضات الضوء المعزولة يمكن أن تكون فعالة في التأثير على الساعة ودفعها. والنتيجة الطبيعية لذلك هي أن الالتفاف قد يكون قابلاً للدراسة في ظل ظروف مبسطة للغاية حيث نقوم بالتحقيق في ما يحدث للكائن الحي عندما يتعرض فقط لنبضة ضوئية قصيرة جدًا وغير متكررة (بدلاً من طور ضوئي كامل مدته ساعة واحدة يتكرر كل 24 ساعة ، كما في الفترة الضوئية للهيكل العظمي أعلاه). يبحث العلماء دائمًا عن أبسط الشروط التي تؤدي إلى تأثير معين لأن هذا يسمح باستبعاد جميع التأثيرات الخارجية.

في حالة الإمساك بالساعة البيولوجية ، فإن تطبيق نبضات ضوئية موجزة (أو "حادة") على الكائنات الحية يكشف عن خاصية رائعة وأساسية للساعات البيولوجية: تتسبب النبضات الضوئية القصيرة في إعادة ضبط الساعات البيولوجية ، ويحدد توقيت نبض الضوء ما إذا كان سوف يتسبب نبضة الضوء في أن تكون إعادة الضبط أبكر أو لاحقًا أو ليس لها أي تأثير. بمعنى آخر ، هناك إيقاع يومي في الاستجابة لنبض الضوء. وبعبارة أخرى ، فإن التأثير الذي هو منعزل zeitgeber على مدار الساعة يعتمد على الساعة البيولوجية (CT) التي تدار فيها. علاوة على ذلك ، هناك منطق تكيفي لهذا الإيقاع: على مدار الزمن التطوري ، إذا كان هناك ضوء ساطع في البيئة ، فمن شبه المؤكد أنه جاء من الشمس (قد يكون البرق أحد الاستثناءات المحتملة). إذا توقع أحد الكائنات الحية & # 8217s إحساس داخلي بالوقت أن الوقت كان نهارًا ، فإن التعرض للضوء الساطع لا يشير إلى أن أي شيء يتعارض مع التوقعات. ومع ذلك ، إذا تنبأ الإحساس الداخلي بالوقت بأن الليل قد حل ، فإن وجود ضوء الشمس يشير إلى عدم توافق مع البيئة التي ينبغي تصحيحها. في سياق تطورنا ، كانت الساعة الداخلية أقل معصومة من إيقاع ضوء الشمس. وهكذا ، تطورت ساعاتنا لإعادة ضبط نفسها كلما كانت تنبؤاتها للوقت الحالي من اليوم متزامنة مع بيئة الإضاءة. مع وضع هذا المنظور التطوري في الاعتبار ، يمكننا البدء في فهم رسم بياني مهم للبيانات يسمى منحنى استجابة الطور.

تظهر الفترات الضوئية للهيكل العظمي أن نبضات الضوء القصيرة كافية لدعم الالتفاف. يتيح لنا المنظور التطوري أن نفهم من الناحية المفاهيمية لماذا يمكن أن يحدث الالتفاف استجابةً لنبضات الضوء الحادة. إذا كانت ساعة الكائن الحي تتنبأ حاليًا بأن اليوم هو النهار ، ثم يتعرض الكائن لنبض ضوء ساطع ، فلا يوجد مؤشر على أن أي شيء غير صحيح. الساعة ليس لديها سبب لإجراء تصحيح. تجريبيًا ، عبر مجموعة واسعة من الأنواع ، يكون لنبض الضوء في اليوم الشخصي تأثيرات طفيفة على الساعة اليومية. افترض الآن أن فأرًا ليليًا يستيقظ ليبدأ أنشطته الليلية. What does a bright light in the sky indicate to that rodent, when the organism is anticipating subjective night? Probably that it arose too early, because that bright light is probably the sun, which has not yet set. As a corrective, the rat might wish to make an adjustment to its internal sense of time and reset the clock so that the next day it gets up a little bit later. This kind of adjustment to the clock is called a phase delay. Conversely, consider a rat that has woken up and has been pursuing its activities in darkness for several hours. Everything seems in order: the rat anticipates subjective night, and the enfironment is dark. Suppose after several hours of activity, the rat’s internal sense of time indicates that it has 2 more hours of darkness to continue its nighttime activities. But if at this time, there is exposure to a bright light, the circadian system will interpret this as a sunrise. Clearly, the circadian system is running late and should have started and finished activity early than it did. Remarkably, a bright light pulse late in the subjective night causes organisms to reset their clocks so that their active phase begins earlier in the next cycle. This adjustment to the clock is called a phase advance. As these examples indicate, under natural conditions, small adjustments to the clock are usually made around dawn and dusk as clocks may deviate slightly from the proper phase. Organisms would rarely experience conditions where the clock became multiple hours out of alignment with the day-night cycle. Thus, what happens in response to light in the middle of the subjective night is not of great relevance to natural entrainment.

By graphing how much the circadian clock shifts in response to an acute zeitgeber, depending on the circadian time of the organism, we can produce what are called phase response curves (PRCs) . A schematic example is shown below. The X axis tracks the time at which a zeitgeber is applied, and on the Y axis, we plot how much it affected the clock.

Figure 3.4: The basic shape of a PRC.

أ phase response curve (PRC) can summarize a tremendous amount of data regarding how a zeitgeber affects an organism’s clock. Two videos, embedded below, explain how PRCs are constructed. First, a video on “Naming Conventions” explains the terminology of “phase shifts.” Second, a video on “Phase Response Curves” explains how a PRC summarizes data about phase shifts in response to a zeitgeber. We will briefly review the basics below, using an example in which light is used as a zeitgeber.

 

To gather the data for a PRC, scientists experiment with variations on light-dark cycles by using acute light pulses, during which the lights go on for a predetermined period of time before going out. For example, a light pulse might be fifteen minutes long, much less than the light duration of light in a natural daily cycle. These light pulses cause phase shifts , or changes in the timing of the onset, offset, peak, or other notable feature of a circadian rhythm. For example, an acute light pulse to a free-running rat might alter when its next onset of activity يحدث.

A PRC relies on the fact that phase shifts can be precisely quantified. By convention, phase shifts are distinguished as positive or negative. A negative phase shift signifies a delay. For example, suppose a rat is free-running, and its onset of activity is occuring with a short period, once every 23.5h. We now apply an acute light pulse, and we find that after the pulse, the next onset of activity occurs 23.9h after the previous onset of activity. The onset of activity was delayed by 0.4h compared to when we would have predicted its occurence on the basis of FRP. We would say that the light pulse caused a negative phase shift of 0.4h. Conversely, a positive phase shift indicates an advance. Suppose a light pulse caused the rat's next onset of activity to occur 23h after its previous onset of activity. The onset of activity was advanced by 0.4h. We would say the light pulse caused a positive phase shift of 0.4h. 

What we have illustrated in these brief examples is that whether a light pulse causes a positive or a negative phase shift depends on when the pulse is delivered with respect to the organism’s circadian time . An pulse of light during the organism's subjective day will have a different effect than an identical pulse of light during the organism's subjective night. In our example above, it could have been the very same light pulse (the same duration, the same light intensity, etc.) that caused a positive phase shift or a negative phase shift of 0.4h: the organism's response depends on the phase of circadian time in when the pulse is applied. The phase response curve provides a quantitative representation of this phenomenon, plotting phase shifts as a function of circadian time.

With the way that an organism's clock and its PRC is built, an organism is always able to change its internal clock to fix itself when put in a periodically light and dark environment. The "dead zone" is the organism's "sweet spot," and the clock will reset itself so that the dead zone aligns with the middle of the light phase. If light ever occurs with too much deviation from the sweet spot, the PRC shows us how the organism's clock will phase shift positively or negatively until the "dead zone" matches mid-day.


What is temperature and what does it truly measure?

Everybody has used a thermometer at least once in their lives, but even without one, our bodies are decent sensors for measuring how hot or cold things are upon contact. We refer to this property as temperature which, in more technical terms, represents the average kinetic energy of the atoms and molecules comprising an object.

Heat or temperature?

Before we go any further with our discussion, it’s important to get something out of the way.

Often heat and temperature are used interchangeably — this is wrong. While the two concepts are related, temperature is distinct from heat.

Temperature describes the internet energy of a system, whereas heat refers to the energy transferred between two objects at different temperatures.

But, as you might have noticed, heat can be very useful when describing temperature.

Imagine a hot cup of coffee. Before pouring the hot elixir of life, the cup had the same temperature as the air surrounding it. However, once it came in contact with the liquid, heat was transferred, increasing its temperature. Now, if you touch the cup, you can feel that it’s hot.

But, given enough time, both the cup and its contents will reach thermal equilibrium with the ambient air. Essentially, they all have the same temperature, which is another way of saying there is no longer a net transfer of energy. Physicists call this the “zeroth law of thermodynamics”. By this principle, heat can only flow from a body that has a higher temperature than another body with which it is in contact — and never the other way around.

The dance of molecules

Everything in this universe is in motion, and motion begets kinetic energy. The faster a particle is moving, the more kinetic energy it has. In fact, kinetic energy increases exponentially with particle velocity.

Where does temperature fit into all of this? Well, temperature is simply an average measure of the kinetic energy for particles of matter. Another way of putting it would be that temperature simply describes the average vibration of particles.

Because the motion of all particles is random, they don’t all move at the same speed and in the same direction. Some bump into each other and transfer momentum, further increasing their motion. For this reason, not all particles that comprise an object will have the same kinetic energy.

In other words, when we measure an object’s temperature, we actually measure the average kinetic energy of all the particles in the object. However, it’s just an approximation.

Within this line of reasoning, the higher the temperature, the higher the motion of the particles. Conversely, when the temperature drops, the motion of the particles is slower. For instance, dyes spread faster through hot water than cold water.

This is why at a temperature of absolute zero, the motion of particles grinds to a halt. Absolute zero is just a theoretical construct and, in practice, it can never be achieved. However, physicists have been able to cool things to a fraction of a degree above zero, trapping atoms and molecules, or creating exotic phases of matter such as the Bose-Einstein condensate (BEC).

It’s important to note that temperature isn’t dependent on the number of molecules involved. A boiling cup of water has the same temperature as a boiling pot of water — both containers have water molecules with the same average kinetic energy, regardless of the quantity of matter involved.

Temperature scales

There are various scales used to describe temperature. In the United States, the most commonly used unit for temperature is Fahrenheit, while much of the rest of the world uses Celsius (or Centigrade). Physicists often prefer to measure temperature in Kelvin, which is also the standard international unit for temperature.

For the Kelvin scale, zero refers to the absolute minimum temperature that matter can have, whereas in the Celsius scale, zero degrees is the temperature at which water freezes at a pressure of one atmosphere (273.15 Kelvin). At 100 degrees Celsius, water begins to boil at a pressure of one atmosphere, offering a neat, linear and relatable scale for describing temperature.

A worthy mention goes to the Rankine scale, which is most often used in engineering. The degree size is the same as the Fahrenheit degree, but the zero of the scale is absolute zero. Often just R for “Rankines” rather than °R is used for expressing Rankine temperatures. The zero of the Rankine scale is -459.67°F (absolute zero) and the freezing point of water is 491.67R.

How temperature is measured

Because of our innate ability to sense how hot or cold things are, humans have had little use for precise measurements of temperature throughout history. However, there have always been mavericks bent on learning about things just for the sake of unraveling nature or getting a kick out of doing science.

Hero, a Greek philosopher and mathematician, is credited with the idea for the first thermometer, writing in the 1st century CE about the relationship between temperature and the expansion of air in his work Pneumatics.

The ancient text survived the degradation of the Roman Empire and the dark ages that followed, until it resurfaced during the Renaissance.

An assortment of Galileo thermometers of various sizes. The bigger the size, the more precise the instrument. الائتمان: أمازون.

It is believed that Hero’s work inspired Galileo Galilei to invent the first device that precisely measures temperature. The Galileo thermometer is composed of multiple glass spheres each filled with a colored liquid mixture that often contains alcohol but can even be simply water with food coloring added.

Each bubble has a metal tag attached to it that indicates temperature, which also serves as a calibrated counterweight that’s slightly different from the others. These floating balls sink or float inside the surrounding water sinking or climb up the water column slowly and gracefully. People still use them to this day, mostly for decorative purposes.

For more precise measurements, there’s the traditional mercury thermometer whose fluid expands at a known rate as it gets hotter and contracts as it gets cooler. It’s then just a matter of reading the measurement indicated by where the column of liquid ends on the scale.

Robert Fludd, an English physician, is credited with designing the first thermometer in 1638 that had a temperature scale built into the physical structure of the device. Daniel Fahrenheit designed the first mercury-based thermometer in 1714 that ultimately went on to become the gold standard of temperature measurement for centuries.


What happens at absolute zero?

The curious things that happen at low temperatures keep on throwing up surprises. Last week, scientists reported that molecules in an ultra-cold gas can chemically react at distances up to 100 times greater than they can at room temperature.

In experiments closer to room temperature, chemical reactions tend to slow down as the temperature decreases. But scientists found that molecules at frigid temperatures just a few hundred billionths of a degree above absolute zero (−273.15°C or 0 kelvin) can still exchange atoms, forging new chemical bonds in the process, thanks to weird quantum effects that extend their reach at low temperatures.

“It’s perfectly reasonable to expect that when you go to the ultra-cold regime there would be no chemistry to speak of,” says Deborah Jin from the University of Colorado in Boulder, whose team reported the finding in علم (DOI&colon 10.1126/science.1184121). “This paper says no, there’s a lot of chemistry going on.”

الإعلانات

عالم جديد takes a look at the weird and wonderful realm of the ultra-cold.

Why is absolute zero (0 kelvin or −273.15°C) an impossible goal?

Practically, the work needed to remove heat from a gas increases the colder you get, and an infinite amount of work would be needed to cool something to absolute zero. In quantum terms, you can blame Heisenberg’s uncertainty principle, which says the more precisely we know a particle’s speed, the less we know about its position, and vice versa. If you know your atoms are inside your experiment, there must be some uncertainty in their momentum keeping them above absolute zero – unless your experiment is the size of the whole universe.

What is the coldest place in the solar system?

The lowest temperature ever measured in the solar system was on the Moon. Last year, NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter measured temperatures as low as −240°C in permanently shadowed craters near the lunar south pole. That’s around 10 degrees colder than temperatures measured on Pluto so far. Brrrrrrrrr.

What is the coldest natural object in the universe?

The coldest known place in the universe is the Boomerang Nebula, 5,000 light years away from us in the constellation Centaurus. Scientists reported in 1997 that gases blowing out from a central dying star have expanded and rapidly cooled to 1 kelvin, only one degree warmer than absolute zero. Usually, gas clouds in space have been warmed to at least 2.7 kelvin by the cosmic microwave background, the relic radiation left over from the big bang. But the Boomerang Nebula’s expansion creates a kind of cosmic refrigerator, allowing the gases to maintain their unusual cool.

What is the coldest object in space?

If you count artificial satellites, things get chillier still. Some instruments on the European Space Agency’s Planck space observatory, launched in May 2009, are frozen down to 0.1 kelvin, to suppress microwave noise that would otherwise fog the satellite’s vision. The space environment, combined with mechanical and cryogenic refrigeration systems using hydrogen and helium, chill the coldest instruments to 0.1 kelvin in four sequential steps.

What is the lowest temperature ever achieved in the laboratory?

The lowest temperature ever recorded was back here on Earth in a laboratory. In September 2003, scientists at the Massachusetts Institute of Technology announced that they’d chilled a cloud of sodium atoms to a record-breaking 0.45 nanokelvin. Earlier, scientists at the Helsinki University of Technology in Finland achieved a temperature of 0.1 nanokelvin in a piece of rhodium metal in 1999. However, this was the temperature for just one particular type of motion – a quantum property called nuclear spin – not the overall temperature for all possible motions.

What weird behaviour can gases display near absolute zero?

In everyday solids, liquids and gases, heat or thermal energy arises from the motion of atoms and molecules as they zing around and bounce off each other. But at very low temperatures, the odd rules of quantum mechanics reign. Molecules don’t collide in the conventional sense instead, their quantum mechanical waves stretch and overlap. When they overlap like this, they sometimes form a so-called Bose-Einstein condensate, in which all the atoms act identically like a single “super-atom”. The first pure Bose-Einstein condensate was created in Colorado in 1995 using a cloud of rubidium atoms cooled to less than 170 nanokelvin.


How can we measure light precisely and how can the universe expand?

How is it possible that we can measure the speed of light so precisely?? The speed of something can only ve measured in reference to another object, can't we just measure the speed of light in two directions and have the exact speed at which that point in the earth is moving ( C - measured C = speed of that point of earth.

Extra question: How is it that the universe is expanding? I have a big theory on this but how is it that we can measure the expansion of the universe?? That doesn't make any sense to me because if the universe is expanding we are also expanding, how can we know that what we percieved as 10 meters is now 20 meters if our instruments for measures also expanded and our own body, mind, eyes, atoms, and even the photons in the universe also expanded?

I say this cause scientists say the universe expands faster than the speed of light.

Extra extra bonus final boss easy question

How can something not pass the speed of light if the momentum formula is f=m.v being f force, m mass and v volume. To move something of 1 kg faster than the speed of light you need more newtons than speed of light, does a newton always take the same energy to achieve or does one newton take more energy in relation to the one that was applied before??

Thanks in advance for clearing my mind! I think a lot about this things but school is shit, I'm 16 and we are learning movement, I wanna learn about plancks not fucking a.t+iv=fv, that's easy boring shit. (Sorry for small rant)

Edit: that's my record of internet points in this site, thanks to everyone for answering.

The speed of something can only ve measured in reference to another object, can't we just measure the speed of light in two directions

The speed of light is دائما the same, even if you're moving. It's only speeds أدناه the speed of light which are relative.

What you're describing is almost exactly the Michelson-Morley experiment - measuring the speed of light in two directions. But it doesn't work because light is دائما measured to be moving at c, even by two people who are measuring the same light but moving at different speeds themselves.

Space and time "rotate" into one another as you change your speed in a way which essentially conspires to maintain the speed of light as you measure it. What one experimenter sees as space (and time) is not quite the same as what another (relatively moving) experimenter sees as space (and time).

Hijacking this top comment to pose another related question:

We know that the effects of time dilation increase exponentially as we approach c, with time quite literally "freezing" at C (which we know is impossible for any object with mass). In a theoretical universe where c travel is possible, travel from any two points in the universe is literally instantaneous. With this in mind, and with the obvious understanding that light has no concept of "time," wouldn't we assume that light emitted from the big bang reached the edge of the current universe. instantly? As in, the age of the universe is 0? How do we meld our perception of time and the measured age of the universe With the fact that the reference frame containing light emitted from the big bang has experienced no passage of time?

I guess a more direct way to ask this question is this: I understand the experience of time is entirely relative, and that in essence the calculated age of the universe shouldn't be thought of in our concept of how "long" a year is-- it's literally the number of times the earth has circled the sun (or would have if it existed), which is objective and measurable. But I just cant wrap my mind around the fact that in existant reference frames the age of the universe remains null

Would anything weird happen if light somehow traveled at a lower or higher speed? Would it eventually become something different from light?

To the first question. You can measure the speed by synchronizing two clocks, taking one very far away and then sending an object from one to the other at a very specific moment in time and then counting how long it takes before it arrives. If your measurements are sufficiently fast you can even measure the delay of light in very small distances in processors for example.

To the second question. I don't know much of the details behind the mechanisms of the expansion of the universe but it isn't so much that everything just gets larger but that the space in which objects are located gets larger. It acts like a sort of force accelerating content inside space out. As long as the forces holding objects together are larger, the objects will not grow in size themselves. We know it is expanding because distant objects move away from us which causes a doppler shift in the frequency at which they send their light. They look more red if they fly away from us and more blue if they move towards us. Similar to how an ambulance sounds different when it comes to you and moves away from you.

The formula f=mv is not correct. It should be F=mأ. Where everything is the same but a is the acceleration. These equations however need to be corrected if you account for relativity which limits our velocity and those equations get much more complicated to a point where I'm not comfortable going into detail and I also don't think it would help you too much at this point. I think the most important lesson for you to take away from this is that some equations in physics aren't perfect but just sufficiently good within certain conditions and as long as you are not going a significant fraction of the speed of light for example. The principles that will happen once you start reaching the speed of light is that time doesn't move equally fast for different frames of reference which causes all kinds of non-relativistic physics to stop working properly.

If something goes really fast (99.99% speed of light for example), its time from the perspective of a stationary observer would ɺlmost' stand still. You might see the problem with definitions of force here.

"The formula f=mv is not correct. It should be F=ma."

As the OP mentioned Momentum, I think the correction in his equation isn't "v" to "a", but "f" to "p". p=mv is the correct equation for momentum

The first experiment you talked about doesn't make sense in my mind, what does sending an object between two points have to do if you can't send it at the speed of light.

Then from your second answer how is it that things expand but they don't if gravity is stronger between them?? Objects far away have gravity towards their own particles, if the forces that are "pulling them apart" are stronger than the gravity they have towards the universe then they aren't expanding, they are just travelling in a direction, I recall reading that the universe is expanding at an increasing rate so it's either expanding with its own atoms also expanding so it's a logical fallacy (can't be proven wrong), or it's not expanding and it's just being pulled apart by other stuff outside the universe, or there are other factors that we aren't taking into account. I used to think that we can't see stuff very far from us since we aren't in the centre of the universe and light hasn't traceled here yet but idk.

You cleared my mind on the third question and produced me more questions for the other two so thank you so much for replying.

We can just measure the speed of light like we can measure any other speed. The speed of light is only 300,000,000 meters per second. We can easily make things that make measurements at 1000 times per second or more. So all you would need to measure the speed of light is a distance 150 kilometers long, a mirror and a sampling rate of 1000 times per second. This is exactly how we got our first measurement of the speed of light. We created a pulsing light beam and then shot it at a mirror, then had a spinning disc that we could change the RPM of next to the emitter, this lets us measure very precisely what the travel time of the pulses are.

Our own bodies, atoms, and eyes are not expanding. The force pushing everything away from each other is ridiculously weak and almost any object's gravity can overcome it. The space between galaxies is very very big though, much bigger than the space inside of galaxies, so the dark energy force that is causing the universe to expand is greater than the incredibly tiny force pulling galaxies towards each other, so galaxies move away from each other, but the forces inside galaxies and between very close galaxies like our own local group is more than enough to keep those things together.

The speed of light does not work the way you think it works, and has nothing to do with light itself. What we call the speed of light is actually the speed of causality. Light in it's own reference frame moves almost infinite distance in almost zero time. Light moves much much much much faster than the speed of light in it's own reference frame. So f=ma works until infinity in your own reference frame. It is only outside stationary observers that see things moving at the speed of light. We don't really know what causes this, but one theory is that it's the Higgs field. The Higgs field is a sea of quantum particles that fills the universe and imparts mass to objects in the universe, letting them interact with other objects.

If you're familiar with how the speed of sound in a medium works, we get the speed of sound because it is the maximum speed that particles in air, steel, or water can transmit a wave from one particle to another. The speed of light/the speed of causality is thought to work in the same way. When you move from one location to another in the universe your mass has to go with you before you can move again. So as you move faster and faster the Higgs field has trouble handing off your mass from the particles at your previous position, to your new position fast enough. Because you cannot experience time without mass you do not experience these delays with the Higgs field updating your position, but outside observers see you moving in slow motion much like watching a laggy video on YouTube that is constantly buffering. Just because people watching a video of an SR-71 Blackbird with very slow buffering see it taking much more time to cross a distance, doesn't mean the plane in the video is going any bit slower. The plane is still moving ridiculously fast, it's just that you as an outside observer experience it moving much slower due to the buffering. Likewise outside observers see things moving at or near the speed of light with progressively more buffering. Those things going near the speed of light are still moving incredibly fast, quadrillions of meters per second or more in their own reference frames, but we can only update their positions at a maximum speed of about 300 million meters per second when we observe those objects.


مستقبلات

Receptors are biological transducers that convert energy from both external and internal environments into electrical impulses. They may be massed together to form a sense organ, such as the eye or ear, or they may be scattered, as are those of the skin and viscera. Receptors are connected to the central nervous system by afferent nerve fibres. The region or area in the periphery from which a neuron within the central nervous system receives input is called its receptive field. Receptive fields are changing and not fixed entities.

Receptors are of many kinds and are classified in many ways. Steady-state receptors, for example, generate impulses as long as a particular state such as temperature remains constant. Changing-state receptors, on the other hand, respond to variation in the intensity or position of a stimulus. Receptors are also classified as exteroceptive (reporting the external environment), interoceptive (sampling the environment of the body itself), and proprioceptive (sensing the posture and movements of the body). Exteroceptors report the senses of sight, hearing, smell, taste, and touch. Interoceptors report the state of the bladder, the alimentary canal, the blood pressure, and the osmotic pressure of the blood plasma. Proprioceptors report the position and movements of parts of the body and the position of the body in space.

Receptors are also classified according to the kinds of stimulus to which they are sensitive. Chemical receptors, or chemoreceptors, are sensitive to substances taken into the mouth (taste or gustatory receptors), inhaled through the nose (smell or olfactory receptors), or found in the body itself (detectors of glucose or of acid-base balance in the blood). Receptors of the skin are classified as thermoreceptors, mechanoreceptors, and nociceptors—the last being sensitive to stimulation that is noxious, or likely to damage the tissues of the body.

Thermoreceptors are of two types, warmth and cold. Warmth fibres are excited by rising temperature and inhibited by falling temperature, and cold fibres respond in the opposite manner.

Mechanoreceptors are also of several different types. Sensory nerve terminals around the base of hairs are activated by very slight movement of the hair, but they rapidly adapt to continued stimulation and stop firing. In hairless skin both rapidly and slowly adapting receptors provide information about the force of mechanical stimulation. The Pacinian corpuscles, elaborate structures found in the skin of the fingers and in other organs, are layers of fluid-filled membranes forming structures just visible to the naked eye at the terminals of axons. Local pressure exerted at the surface or within the body causes deformation of parts of the corpuscle, a shift of chemical ions (e.g., sodium, potassium), and the appearance of a receptor potential at the nerve ending. This receptor potential, on reaching sufficient (threshold) strength, acts to generate a nerve impulse within the corpuscle. These receptors are also activated by rapidly changing or alternating stimuli such as vibration.

All receptors report two features of stimulation, its intensity and its location. Intensity is signaled by the frequency of nerve impulse discharge of a neuron and also by the number of afferent nerves reporting the stimulation. As the strength of a stimulus increases, the rate of change in electrical potential of the receptor increases, and the frequency of nerve impulse generation likewise increases.

The location of a stimulus, whether in the external or internal environment, is readily determined by the nervous system. Localization of stimuli in the environment depends to a great extent on pairs of receptors, one on each side of the body. For example, children learn very early in life that a loud sound is probably coming from a nearer source than a weak sound. They localize the sound by noticing the difference in intensity and the minimal difference in time of arrival at the ears, increasing these differences by turning the head.

Localization of a stimulus on the skin depends upon the arrangement of nerve fibres in the skin and in the deep tissues beneath the skin, as well as upon the overlap of receptive fields. Most mechanical stimuli indent the skin, stimulating nerve fibres in the connective tissue below the skin. Any point on the skin is supplied by at least 3, and sometimes up to 40, nerve fibres, and no two points are supplied by precisely the same pattern of fibres.

Finer localization is achieved by what is called surround inhibition. In the retina, for example, there is an inhibitory area around the excited area. This mechanism accentuates the excited area. Surround excitation, on the other hand, is characterized by an excitatory area around an inhibitory area. In both cases contrast is enhanced and discrimination sharpened.

In seeking information about the environment, the nervous system presents the most-sensitive receptors to a stimulating object. At its simplest, this action is reflex. In the retina a small region about the size of a pinhead, called the fovea, is particularly sensitive to colour. When a part of the periphery of the visual field is excited, a reflex movement of the head and eyes focuses the light rays upon that part of the fovea. A similar reflex turns the head and eyes in the direction of a noise. As the English physiologist Charles Sherrington said in 1900, “In the limbs and mobile parts, when a spot of less discriminative sensitivity is touched, instinct moves the member, so that it brings to the object the part where its own sensitivity is delicate.”


Reviewing the Strategy and Determining Success

Another important part of laboratory temperature monitoring is tracking historical data and fluctuations. The right monitor collects data and compiles reports for you. With these reports in hand, it’s easy to see patterns and trends.

From there, you can determine if you’re meeting your goals. You might think your current system is working well, only to see lab temperatures change many times a day. This kind of information can help as you review and revise your strategy.

The system can also give insight into how often the temperature exceeds thresholds. It can even provide data about when fluctuations occur, so you can link those changes back to causes.

With so much information at your fingertips, it’s easy to decide your next steps. Revising your strategy has never been easier.


مناقشة

The suggestion that most amino acid substitutions are slightly deleterious was originally offered to resolve contradictions between the predictions of neutral theory and empirical observations (15). In exploring how this novel premise might realign predictions and data, a number of theoretical studies simulated molecular evolution under predefined distributions of mutant selection coefficients (see, for example, ref. 32). The results presented here suggest that بداهة assumption of a particular distribution of mutant selection coefficients is inappropriate for steady-state models of nearly neutral evolution. The distribution of mutant selection coefficients is determined by the operation of the evolutionary dynamic on the landscape of all possible genotypes and therefore cannot be assumed بداهة. In fact, the distribution determined by the evolutionary dynamic will differ in important ways from distributions assumed بداهة. For instance, we found that the steady-state distribution of mutant selection coefficients will take a form that causes the number of fixations involving an additive fitness change Δx to equal the number of fixations involving an additive fitness change -Δx. This property will not, in general, be exhibited by distributions of mutant selection coefficients assumed بداهة.

Although we find that the premise that most substitutions are slightly deleterious may be incorrect, many of the deductions that rely on this premise remain in tact. For example, steady-state nearly neutral evolution may still provide an explanation for the constancy of the rate of molecular evolution across organisms with very different generation times. According to detailed balance, on average, for one adaptive substitution with a given selection coefficient to occur, a corresponding deleterious substitution must also take place. Because deleterious mutations are much less likely to fix than adaptive ones, fixation of deleterious mutations remains the rate-limiting step in molecular evolution, and Ohta's (16) rationale for the molecular clock may still hold. Other classical arguments, such as Ohta's explanation for the surprisingly weak relationship between polymorphism and population size, can be rephrased along similar lines.

An important simplifying assumption in our analysis was that mutations are sufficiently rare that the fixation probability of a mutation is not affected by other segregating alleles. Although future work may determine whether the methods presented here can be generalized to incorporate interactions among segregating sites, we must presently address the applicability of theory that omits such important processes as hitchhiking (15, 33) and background selection (12). Most straightforwardly, the results presented here can be viewed as an approximation that becomes acceptably accurate under certain population parameters. For example, in small populations, mutations are rare, and therefore our simplified evolutionary dynamics and the results we have derived from them become decent approximations of reality (4). More generally, however, the theory considered here may allow us to more adequately understand the behavior of models that frequently serve either as null models or as theoretically tractable heuristics in studies of more complicated molecular evolutionary dynamics. For instance, revising the premise that slightly deleterious substitutions predominate may affect how the null hypothesis of steady-state nearly neutral evolution is simulated in studies measuring rates and effects of adaptation in the genome. Or, to offer another example, closed-form expressions for the effect of population size on key population genetic statistics may facilitate evaluation of the suggestion that the effects of hitchhiking or background selection can be approximated theoretically by a rescaling of population size in neutral theory (12, 34).

Besides adopting important simplifying assumptions, the theory treated here reduces the complexity of dynamics by treating the averages of large numbers of degrees of freedom. Although such averages are clearly meaningful in the classical systems of statistical physics, in which the number of degrees of freedom is generally on the order of Avogadro's number, one may reasonably ask whether averages are actually useful in genetic systems, in which the number of degrees of freedom is so much smaller. Although population genetics initially concerned itself with the dynamics at one or a few sites of interest, the recent flood of genomic data has allowed measurement of averages over many sites. For instance, it is now common to compare average evolutionary rates or average levels of codon bias across many genes in the genome (35, 36). Such studies encounter tremendous noise, and predictions are far from precise (especially by the standards of statistical physics), but averaging across sites within genes and comparing large numbers of genes often allow detection of important trends.

The applicability of the theory treated here should also be discussed in light of Eq. 9 , which gives the probability that any given genotype is fixed in the population. The time scales of evolution do not allow exhaustive exploration of large and rugged fitness landscapes instead, populations are often confined to exploration of a local fitness peak. Such metastable states do not reflect an equilibrium in the strict sense because, given sufficient time, the system would eventually leave each local peak. Nonetheless, under the approximation that the local landscape is bounded by valleys that cannot be traversed, Eq. 9 and the results that follow from it would apply.

A number of authors (3, 37–39) have noted parallels between statistical physics and evolution. In 1930, R. A. Fisher wrote that “. the fundamental theorem [of natural selection] bears some remarkable resemblance to the second law of thermodynamics. It is possible that both may ultimately be absorbed by some more general principle” (3). In accordance with this suggestion, we have shown that the mathematical description of evolution of a finite population in a constant environment is analogous to that of a thermodynamic system. Our treatment does not address how evolutionary systems, which are themselves physical systems, are subject to the laws of statistical physics [as, for example, Schrödinger suggests (40)]. The analogy we have developed does, however, show that the methods used to describe systems in statistical physics can be applied to evolutionary systems in a useful way. This analogy leads to a general analytical form for the steady-state distribution of fixed genotypes, thus reducing the solution of a large family of evolutionary models, including Fisher's geometric model, to several straightforward substitutions. The close parallels between statistical physics and evolutionary dynamics also prove useful in elucidating basic evolutionary relationships, such as that between genetic load and effective population size, and in revealing new generalizations about dynamic behavior at steady state, such as the equality of the number of adaptive and deleterious substitutions. Finally, the analogy permits derivation of an energy function for evolutionary dynamics of a finite population. The form of this energy function is precisely that of free energy, and the maximization of free fitness is precisely analogous to the second law of thermodynamics.


شاهد الفيديو: تحدير; علامات تدل على أنه لديك إنفاض رهيب في هرمون الفحولة التستوستيرون (أغسطس 2022).