¿Cómo mantienen constante su temperatura los animales de sangre caliente?

Dado que parece haber varios subtemas distintos en su pregunta, los responderé uno por uno:

1). Hay una variedad de mecanismos que permiten a los animales endotérmicos mantener la homeostasis térmica en un ambiente frío. Los principales son:

a). La respuesta de escalofríos: cuando la temperatura corporal central de una endoterma cae por debajo de un valor crítico (36,8 °C en humanos), hace que el hipotálamo posterior estimule ciertos grupos de músculos esqueléticos (especialmente alrededor de los órganos vitales) para comenzar a "temblar" rápidamente, generando calor.

b). En comparación con los ectotermos, los endotermos tienen más mitocondrias por célula, lo que les permite tener un metabolismo más alto. Dado que el metabolismo siempre genera calor, un aumento [general] en el metabolismo celular provocará un aumento en el calor corporal.

C). Muchos endotermos tienen capas de material aislante, como pelaje, grasa, plumas, etc., lo que les permite conservar el calor corporal. Además, los endotermos también pueden desviar la sangre de los capilares a través de la vasoconstricción de las arteriolas, lo que reduce el área en la que se puede perder el calor.

d). Como menciona Memming, el tejido adiposo marrón también juega un papel en la regulación de la temperatura. El metabolismo basado en la termorregulación en la grasa parda hace que el P+ en la cadena de transporte de electrones pase por la termogenina en lugar de la ATP sintasa. Este proceso genera calor, pero no ATP.

mi). Algunos endotermos, como los pingüinos y los lobos árticos, tienen un intercambio a contracorriente en sus capilares. Esto es cuando la sangre arterial caliente "pasa" parte de su calor a la sangre venosa más fría. Esta función permite que parte del calor que normalmente se "desperdicia" en el aire se recicle nuevamente en el cuerpo.

Nota: Aunque es cierto que los endotermos pueden mantener constante la temperatura de su cuerpo independientemente de su entorno (ignorando los extremos), lo hacen a costa de requerir cantidades significativas de sustento. La mayoría de los endotermos requieren mucho más sustento que los ectotermos.

2). Su segunda sub-pregunta es muy interesante. Si bien es cierto que generar calor requerirá cantidades sustanciales de carbohidratos/grasas/...etc, no significa necesariamente que el consumo neto de sustento en ambientes fríos sea mayor que en ambientes normales. En la mayoría de los casos, los endotermos en ambientes fríos exhibirán una actividad significativamente menor que en un ambiente óptimo. La disminución de la actividad en un ambiente frío probablemente equilibrará el aumento del metabolismo basado en la termorregulación. Esto probablemente explica por qué las personas tienden a beber cantidades iguales o ligeramente menores de agua cuando se encuentran en ambientes fríos. Una cosa más: algunas reacciones que generan calor (como la vía ETC alternativa) no requieren agua.

3). En verdad, nada "impide" que los ectotermos generen calor. Simplemente no tienen la "maquinaria" celular. Los ectotermos metabolizan de forma muy similar a otros organismos, utilizando moléculas como ATP, glucosa, grasa…etc. Sin embargo, a diferencia de los endotermos, gastan muy poca energía en regular la temperatura. Como consecuencia, sus tasas metabólicas generales dependen de la temperatura externa. El punto es este: una parte sustancial del sustento endotérmico se utiliza para generar calor. Solo una pequeña porción (si la hay) del sustento ectotérmico se usa para regular el calor. Como resultado, los endotermos requieren mucha más nutrición que los ectotermos.

4). No estoy del todo seguro de lo que quiere decir con "camino evolutivo", pero solo diré esto: en muchos sentidos, los endotermos y los ectotermos son organismos que han encontrado diferentes caminos para el mismo problema; cómo regular el calor corporal para una máxima supervivencia y reproducción. Básicamente,

ectotermo: más dependiente de la temperatura ambiental, requiere menos sustento

endotérmico: menos dependiente de la temperatura ambiental, requiere más sustento

5). Tienes toda la razón. Los componentes celulares y genéticos son muy similares. Algunos aspectos morfológicos parecen compartirse también.

Fuentes:

Cambell & Reece (2010) Biología (9.ª ed.)

Cisne, KG; RE Henshaw (marzo de 1973), "Simpatectomía lumbar y aclimatación al frío por parte del lobo ártico", Análisis de cirugía 177 (3): 286–292,

Guyton & Hall (2006) Libro de texto de fisiología médica. (11ª edición)

Romanovsky AA. (2007). Termorregulación: algunos conceptos han cambiado. Arquitectura funcional del sistema termorregulador. Soy J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 292(1):R37-46.

Aquí responde una parte de tu pregunta. Los animales de sangre caliente queman más comida en el invierno, para que puedan mantener su cuerpo caliente. No están consumiendo mucho más ATP en el invierno, solo un poco más. Por lo general, tienen un mecanismo para reducir la pérdida de calor, como el crecimiento del cabello. ¿Cómo sabes que necesitas beber más agua? Debes saber que también sudas menos en invierno.

Los animales de sangre fría tienen un mecanismo codificado en su gen para evitar que se mantengan calientes en invierno. Es un resultado de evolución para que no tengan que consumir muchos alimentos y así ATP en el invierno. Significa que pertenecen a una rama diferente del árbol filogenético, por lo que tienen un camino de evolución diferente.

Siempre hay escalofríos, y también el tejido adiposo marrón que genera calor para mantener regulada la temperatura central. Las mitocondrias adicionales en el tejido adiposo pardo se pueden utilizar para generar calor sin producir ATP. Como menciona @jackweirdy, esta es una retroalimentación negativa que involucra al hipotálamo.