Η ποικιλομορφία της ζωής στον πλανήτη μας είναι εντυπωσιακή στην κλίμακα της. Πρόσφατες μελέτες από Καναδούς επιστήμονες δίνουν έναν αριθμό 8,7 εκατομμυρίων ειδών ζώων, φυτών, μυκήτων και μικροοργανισμών που κατοικούν στον πλανήτη μας. Επιπλέον, μόνο το 20% περίπου από αυτά περιγράφονται, και αυτό είναι 1,5 εκατομμύρια είδη γνωστά σε εμάς. Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν κατοικήσει σε όλες τις οικολογικές θέσεις στον πλανήτη. Δεν υπάρχει μέρος στη βιόσφαιρα όπου δεν θα υπήρχε ζωή. Στους αεραγωγούς των ηφαιστείων και στην κορυφή του Έβερεστ - παντού βρίσκουμε ζωή στις διάφορες εκφάνσεις της. Και, αναμφίβολα, η φύση οφείλει τέτοια ποικιλομορφία και κατανομή στην εμφάνιση στη διαδικασία εξέλιξης του φαινομένου της θερμόαιμης φύσης (ομοιόθερμοι οργανισμοί).
Το όριο της ζωής είναι η θερμοκρασία
Η βάση της ζωής είναι ο μεταβολισμός του σώματος, ο οποίος εξαρτάται από την ταχύτητα και τη φύση των χημικών διεργασιών. ΑΛΛΑΑυτές οι χημικές αντιδράσεις είναι δυνατές μόνο σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας, με τους δικούς τους δείκτες και τη διάρκεια της έκθεσης. Για μεγαλύτερο αριθμό οργανισμών, οι οριακές δείκτες του καθεστώτος θερμοκρασίας του περιβάλλοντος θεωρούνται από 0 έως +50 βαθμούς Κελσίου.
Αλλά αυτό είναι ένα εικαστικό συμπέρασμα. Θα ήταν πιο ακριβές να πούμε ότι τα όρια θερμοκρασίας της ζωής θα είναι εκείνα στα οποία δεν υπάρχει μετουσίωση πρωτεϊνών, καθώς και μη αναστρέψιμες αλλαγές στα κολλοειδή χαρακτηριστικά του κυτταροπλάσματος των κυττάρων, παραβίαση της δραστηριότητας των ζωτικών ενζύμων. Και πολλοί οργανισμοί έχουν εξελίξει εξαιρετικά εξειδικευμένα ενζυματικά συστήματα που τους επέτρεψαν να ζουν σε συνθήκες πολύ πέρα από αυτά τα όρια.
Περιβαλλοντική ταξινόμηση
Τα όρια των βέλτιστων θερμοκρασιών ζωής καθορίζουν τη διαίρεση των μορφών ζωής στον πλανήτη σε δύο ομάδες - τα κρυόφιλα και τα θερμόφιλα. Η πρώτη ομάδα προτιμά το κρύο για τη ζωή και είναι εξειδικευμένη για τη ζωή σε τέτοιες συνθήκες. Περισσότερο από το 80% της βιόσφαιρας του πλανήτη είναι ψυχρές περιοχές με μέση θερμοκρασία +5 °C. Αυτά είναι τα βάθη των ωκεανών, οι έρημοι της Αρκτικής και της Ανταρκτικής, η τούνδρα και τα υψίπεδα. Η αυξημένη αντίσταση στο κρύο παρέχεται από βιοχημικές προσαρμογές.
Το ενζυματικό σύστημα των κρυόφιλων μειώνει αποτελεσματικά την ενέργεια ενεργοποίησης των βιολογικών μορίων και διατηρεί τον μεταβολισμό στο κύτταρο σε θερμοκρασία κοντά στους 0 °C. Ταυτόχρονα, οι προσαρμογές πηγαίνουν σε δύο κατευθύνσεις - στην απόκτηση αντίστασης (αντίθεση) ή ανοχής (αντίσταση) στο κρύο. Η οικολογική ομάδα των θερμόφιλων είναι οργανισμοί που είναι βέλτιστοι γιατων οποίων οι ζωές είναι περιοχές υψηλών θερμοκρασιών. Η ζωτική τους δραστηριότητα παρέχεται και από την εξειδίκευση των βιοχημικών προσαρμογών. Αξίζει να αναφέρουμε ότι με την επιπλοκή της οργάνωσης του οργανισμού μειώνεται η ικανότητά του στη θερμοφιλία.
Θερμοκρασία σώματος
Η ισορροπία της θερμότητας σε ένα ζωντανό σύστημα είναι το σύνολο της εισροής και εκροής του. Η θερμοκρασία του σώματος των οργανισμών εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (εξωγενής θερμότητα). Επιπλέον, ένα υποχρεωτικό χαρακτηριστικό της ζωής είναι η ενδογενής θερμότητα - προϊόν εσωτερικού μεταβολισμού (οξειδωτικές διεργασίες και διάσπαση του τριφωσφορικού οξέος αδενοσίνης). Η ζωτική δραστηριότητα των περισσότερων ειδών στον πλανήτη μας εξαρτάται από την εξωγενή θερμότητα και η θερμοκρασία του σώματός τους εξαρτάται από την πορεία των θερμοκρασιών περιβάλλοντος. Πρόκειται για ποικιλοθερμικούς οργανισμούς (ποικιλός - διάφοροι), στους οποίους η θερμοκρασία του σώματος είναι μεταβλητή.
Ποικιλόθερμα είναι όλοι μικροοργανισμοί, μύκητες, φυτά, ασπόνδυλα και τα περισσότερα χορδοειδή. Και μόνο δύο ομάδες σπονδυλωτών - πτηνά και θηλαστικά - είναι ομοιοθερμικοί οργανισμοί (homoios - παρόμοιοι). Διατηρούν σταθερή θερμοκρασία σώματος, ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ονομάζονται και θερμόαιμα ζώα. Η κύρια διαφορά τους είναι η παρουσία μιας ισχυρής ροής εσωτερικής θερμότητας και ενός συστήματος θερμορρυθμιστικών μηχανισμών. Ως αποτέλεσμα, στους ομοιοθερμικούς οργανισμούς, όλες οι φυσιολογικές διεργασίες πραγματοποιούνται σε βέλτιστες και σταθερές θερμοκρασίες.
Σωστό και Λάθος
Μερικά ποικιλοθερμικάοργανισμοί όπως τα ψάρια και τα εχινόδερμα έχουν επίσης σταθερή θερμοκρασία σώματος. Ζουν σε συνθήκες σταθερών εξωτερικών θερμοκρασιών (τα βάθη του ωκεανού ή των σπηλαίων), όπου η θερμοκρασία περιβάλλοντος δεν μεταβάλλεται. Ονομάζονται ψευδώς ομοιοθερμικοί οργανισμοί. Πολλά ζώα που βιώνουν χειμερία νάρκη ή προσωρινή ταραχή έχουν κυμαινόμενες θερμοκρασίες σώματος. Αυτοί οι αληθινά ομοιοθερμικοί οργανισμοί (παραδείγματα: μαρμότες, νυχτερίδες, σκαντζόχοιροι, swifts και άλλοι) ονομάζονται ετεροθερμικοί.
Αγαπητέ aromorphosis
Η εμφάνιση της ομοιοθερμίας στα έμβια όντα είναι ένα πολύ ενεργοβόρο εξελικτικό απόκτημα. Οι μελετητές εξακολουθούν να διαφωνούν για την προέλευση αυτής της προοδευτικής αλλαγής στη δομή, η οποία οδήγησε σε αύξηση του επιπέδου οργάνωσης. Πολλές θεωρίες έχουν προταθεί για την προέλευση των θερμόαιμων οργανισμών. Μερικοί ερευνητές παραδέχονται ότι ακόμη και οι δεινόσαυροι θα μπορούσαν να έχουν αυτό το χαρακτηριστικό. Όμως με όλες τις διαφωνίες των επιστημόνων, ένα είναι σίγουρο: η εμφάνιση ομοιοθερμικών οργανισμών είναι ένα βιοενεργειακό φαινόμενο. Και η επιπλοκή των μορφών ζωής σχετίζεται με τη λειτουργική βελτίωση των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας.
Αντιστάθμιση θερμοκρασίας
Η ικανότητα ορισμένων ποικιλοθερμικών οργανισμών να διατηρούν σταθερό επίπεδο μεταβολικών διεργασιών σε ένα ευρύ φάσμα μεταβολών της θερμοκρασίας του σώματος παρέχεται από βιοχημικές προσαρμογές και ονομάζεται αντιστάθμιση θερμοκρασίας. Βασίζεται στην ικανότητα ορισμένων ενζύμων να αλλάζουν τη διαμόρφωση τους με τη μείωση της θερμοκρασίας και να αυξάνουν τη συγγένειά τους με το υπόστρωμα, αυξάνοντας τον ρυθμό των αντιδράσεων. Για παράδειγμα, στα δίθυρα μύδιαΣτη Θάλασσα Μπάρεντς, η κατανάλωση οξυγόνου δεν εξαρτάται από τις θερμοκρασίες περιβάλλοντος, οι οποίες κυμαίνονται από 25 °C (+5 έως +30 °C).
Ενδιάμεσες φόρμες
Εξελικτικοί βιολόγοι έχουν βρει τους ίδιους εκπροσώπους μεταβατικών μορφών από τα ποικιλοθερμικά στα θερμόαιμα θηλαστικά. Καναδοί βιολόγοι από το Πανεπιστήμιο Brock ανακάλυψαν εποχιακή θερμόαιμα στο αργεντίνικο ασπρόμαυρο tegu (Alvator merianae). Αυτή η σχεδόν μετρητή σαύρα ζει στη Νότια Αμερική. Όπως τα περισσότερα ερπετά, το tegu λιάζεται στον ήλιο κατά τη διάρκεια της ημέρας και κρύβεται σε λαγούμια και σπηλιές τη νύχτα, όπου δροσίζει. Αλλά κατά την περίοδο αναπαραγωγής από τον Σεπτέμβριο έως τον Οκτώβριο, η θερμοκρασία του tegu, ο αναπνευστικός ρυθμός και ο ρυθμός των καρδιακών συσπάσεων το πρωί αυξάνονται απότομα. Η θερμοκρασία του σώματος μιας σαύρας μπορεί να υπερβεί τη θερμοκρασία σε μια σπηλιά κατά δέκα βαθμούς. Αυτό αποδεικνύει τη μετάβαση των μορφών από ψυχρόαιμα ζώα σε ομοιοθερμικά ζώα.
Μηχανισμοί θερμορύθμισης
Οι ομοιοθερμικοί οργανισμοί εργάζονται πάντα για να εξασφαλίσουν τη λειτουργία των κύριων συστημάτων - κυκλοφορικό, αναπνευστικό, απεκκριτικό - δημιουργώντας μια ελάχιστη παραγωγή θερμότητας. Αυτό το ελάχιστο που παράγεται σε ηρεμία ονομάζεται βασικός μεταβολισμός. Η μετάβαση στην ενεργό κατάσταση στα θερμόαιμα ζώα αυξάνει την παραγωγή θερμότητας και χρειάζονται μηχανισμούς για την αύξηση της μεταφοράς θερμότητας για την πρόληψη της μετουσίωσης της πρωτεΐνης.
Η διαδικασία επίτευξης ισορροπίας μεταξύ αυτών των διεργασιών παρέχεται από τη χημική και φυσική θερμορύθμιση. Αυτοί οι μηχανισμοί παρέχουν προστασία των ομοιοθερμικών οργανισμών από χαμηλές θερμοκρασίες καιυπερθέρμανση. Οι μηχανισμοί για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας σώματος (χημική και φυσική θερμορύθμιση) έχουν διαφορετικές πηγές και είναι πολύ διαφορετικοί.
Χημική θερμορύθμιση
Σε απάντηση στη μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, τα θερμόαιμα ζώα αυξάνουν αντανακλαστικά την παραγωγή ενδογενούς θερμότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με την αύξηση των οξειδωτικών διεργασιών, ειδικά στους μυϊκούς ιστούς. Η ασυντόνιστη μυϊκή σύσπαση (τρόμος) και ο θερμορρυθμιστικός τόνος είναι τα πρώτα στάδια της αύξησης της παραγωγής θερμότητας. Ταυτόχρονα, ο μεταβολισμός των λιπιδίων αυξάνεται και ο λιπώδης ιστός γίνεται το κλειδί για καλύτερη θερμορύθμιση. Τα θηλαστικά σε ψυχρό κλίμα έχουν ακόμη και καφέ λίπος, όλη η θερμότητα από την οξείδωση του οποίου πηγαίνει για να ζεστάνει το σώμα. Αυτή η ενεργειακή δαπάνη απαιτεί από το ζώο είτε να καταναλώνει μεγάλη ποσότητα τροφής είτε να έχει σημαντικά αποθέματα λίπους. Με την έλλειψη αυτών των πόρων, η χημική θερμορύθμιση έχει τα όριά της.
Μηχανισμοί φυσικής θερμορύθμισης
Αυτός ο τύπος θερμορύθμισης δεν απαιτεί πρόσθετο κόστος για την παραγωγή θερμότητας, αλλά πραγματοποιείται με τη διατήρηση της ενδογενούς θερμότητας. Πραγματοποιείται με εξάτμιση (εφίδρωση), ακτινοβολία (ακτινοβολία), αγωγή θερμότητας (αγωγιμότητα) και μεταφορά του δέρματος. Μέθοδοι φυσικής θερμορύθμισης έχουν αναπτυχθεί στην πορεία της εξέλιξης και γίνονται όλο και πιο τέλειες κατά τη μελέτη της φυλογενετικής σειράς από τα εντομοφάγα και τις νυχτερίδες έως τα θηλαστικά.
Ένα παράδειγμα τέτοιας ρύθμισης είναι η στένωση ή η επέκταση των τριχοειδών αγγείων του αίματος, η οποία αλλάζειθερμική αγωγιμότητα, θερμομονωτικές ιδιότητες γούνας και φτερών, αντίρροπη ανταλλαγή θερμότητας αίματος μεταξύ επιφανειακών αγγείων και αγγείων εσωτερικών οργάνων. Η απαγωγή θερμότητας ρυθμίζεται από την κλίση των τριχών και των φτερών της γούνας, μεταξύ των οποίων διατηρείται ένα κενό αέρα.
Στα θαλάσσια θηλαστικά, το υποδόριο λίπος κατανέμεται σε όλο το σώμα, προστατεύοντας την ενδο-θερμότητα. Για παράδειγμα, στις φώκιες, μια τέτοια παχιά σακούλα φτάνει έως και το 50% του συνολικού βάρους. Γι' αυτό το χιόνι δεν λιώνει κάτω από τις φώκιες που βρίσκονται στον πάγο για ώρες. Για τα ζώα που ζουν σε ζεστά κλίματα, μια ομοιόμορφη κατανομή του σωματικού λίπους σε ολόκληρη την επιφάνεια του σώματος θα ήταν μοιραία. Ως εκ τούτου, το λίπος τους συσσωρεύεται μόνο σε ορισμένα μέρη του σώματος (η καμπούρα μιας καμήλας, η παχιά ουρά ενός προβάτου), γεγονός που δεν εμποδίζει την εξάτμιση από ολόκληρη την επιφάνεια του σώματος. Επιπλέον, τα ζώα του βόρειου ψυχρού κλίματος έχουν ειδικό λιπώδη ιστό (καφέ λίπος), ο οποίος χρησιμοποιείται πλήρως για τη θέρμανση του σώματος.
Πιο νότια - μεγαλύτερα αυτιά και πιο μακριά πόδια
Τα διαφορετικά μέρη του σώματος απέχουν πολύ από το να είναι ισοδύναμα όσον αφορά τη μεταφορά θερμότητας. Για να διατηρηθεί η μεταφορά θερμότητας, η αναλογία της επιφάνειας του σώματος και του όγκου του είναι σημαντική, επειδή ο όγκος της εσωτερικής θερμότητας εξαρτάται από τη μάζα του σώματος και η μεταφορά θερμότητας γίνεται μέσω των περιβλημάτων. Τα προεξέχοντα μέρη του σώματος έχουν μεγάλη επιφάνεια, κάτι που είναι καλό για ζεστά κλίματα, όπου τα θερμόαιμα ζώα χρειάζονται πολλή μεταφορά θερμότητας. Για παράδειγμα, μεγάλα αυτιά με πολλά αιμοφόρα αγγεία, μακριά άκρα και ουρά είναι χαρακτηριστικά για τους κατοίκους ενός ζεστού κλίματος (ελέφαντας, αλεπού fennec, αφρικανικήμακρυαυτιά jerboa). Σε ψυχρές συνθήκες, η προσαρμογή ακολουθεί το μονοπάτι εξοικονόμησης περιοχής προς όγκο (αυτιά και ουρά φώκιας).
Υπάρχει ένας άλλος νόμος για τα θερμόαιμα ζώα - όσο πιο βόρεια ζουν οι εκπρόσωποι μιας φυλογενετικής ομάδας, τόσο μεγαλύτεροι είναι. Και αυτό συνδέεται επίσης με την αναλογία του όγκου της επιφάνειας εξάτμισης και, κατά συνέπεια, την απώλεια θερμότητας και τη μάζα του ζώου.
Ηθολογία και μεταφορά θερμότητας
Τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας, τόσο για ποικιλοθερμικά όσο και για ομοιοθερμικά ζώα. Αυτό περιλαμβάνει αλλαγές στη στάση του σώματος και την κατασκευή καταφυγίων και διάφορες μεταναστεύσεις. Όσο μεγαλύτερο είναι το βάθος της οπής, τόσο πιο ομαλή είναι η πορεία των θερμοκρασιών. Για μεσαία γεωγραφικά πλάτη, σε βάθος 1,5 μέτρου, οι εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας είναι ανεπαίσθητες.
Η συμπεριφορά ομάδας χρησιμοποιείται επίσης για τη θερμορύθμιση. Έτσι, οι πιγκουίνοι στριμώχνονται μαζί, σφιχτά προσκολλημένοι ο ένας στον άλλο. Μέσα στο σωρό, η θερμοκρασία είναι κοντά στη θερμοκρασία του σώματος των πιγκουίνων (+37 ° C) ακόμη και στους πιο σοβαρούς παγετούς. Οι καμήλες κάνουν το ίδιο - στο κέντρο της ομάδας η θερμοκρασία είναι περίπου +39 °C και η γούνα των εξόχως απόμακρων ζώων μπορεί να θερμανθεί έως +70 °C.
Η αδρανοποίηση είναι μια ειδική στρατηγική
Η τορπιδαιμία (απώλεια) ή η χειμερία νάρκη είναι ειδικές στρατηγικές των θερμόαιμων ζώων που επιτρέπουν τη χρήση αλλαγών στη θερμοκρασία του σώματος για προσαρμοστικούς σκοπούς. Σε αυτή την κατάσταση, τα ζώα σταματούν να διατηρούν τη θερμοκρασία του σώματος και τη μειώνουν σχεδόν στο μηδέν. Η χειμερία νάρκη χαρακτηρίζεται από μείωση του μεταβολικού ρυθμού καικατανάλωση συσσωρευμένων πόρων. Αυτή είναι μια καλά ρυθμισμένη φυσιολογική κατάσταση, όταν οι θερμορρυθμιστικοί μηχανισμοί μεταβαίνουν σε χαμηλότερο επίπεδο - ο καρδιακός ρυθμός μειώνεται (για παράδειγμα, σε έναν κοιτώνα από 450 σε 35 παλμούς ανά λεπτό), η κατανάλωση οξυγόνου μειώνεται κατά 20-100 φορές.
Η αφύπνιση απαιτεί ενέργεια και συμβαίνει με αυτοθέρμανση, η οποία δεν πρέπει να συγχέεται με τον λήθαργο των ψυχρόαιμων ζώων, όπου προκαλείται από μείωση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και είναι μια κατάσταση που δεν ρυθμίζεται από το ίδιο το σώμα (αφύπνιση εμφανίζεται υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων).
Η λιποθυμία είναι επίσης μια ρυθμιζόμενη κατάσταση, αλλά η θερμοκρασία του σώματος πέφτει μόνο κατά λίγους βαθμούς και συχνά συνοδεύει κιρκάδιους ρυθμούς. Για παράδειγμα, τα κολίβρια μουδιάζουν τη νύχτα όταν η θερμοκρασία του σώματός τους πέφτει από 40°C σε 18°C. Υπάρχουν πολλές μεταβάσεις μεταξύ ταραχής και αδρανοποίησης. Έτσι, αν και ονομάζουμε τον ύπνο των αρκούδων το χειμώνα χειμερία νάρκη, στην πραγματικότητα, ο μεταβολισμός τους μειώνεται ελαφρώς και η θερμοκρασία του σώματός τους πέφτει μόνο κατά 3-6 ° C. Σε αυτή την κατάσταση η αρκούδα γεννά μικρά.
Γιατί υπάρχουν λίγοι ομοιοθερμικοί οργανισμοί στο υδάτινο περιβάλλον
Μεταξύ των υδροβιόντων (οργανισμών που ζουν στο υδάτινο περιβάλλον) υπάρχουν λίγοι εκπρόσωποι των θερμόαιμων ζώων. Οι φάλαινες, τα δελφίνια, οι φώκιες είναι δευτερεύοντα υδρόβια ζώα που έχουν επιστρέψει στο υδάτινο περιβάλλον από την ξηρά. Η θερμόαιμα σχετίζεται κυρίως με την αύξηση των μεταβολικών διεργασιών, η βάση των οποίων είναι οι αντιδράσεις οξείδωσης. Και το οξυγόνο παίζει σημαντικό ρόλο εδώ. Και, όπως γνωρίζετε, σεστο υδάτινο περιβάλλον, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο δεν είναι μεγαλύτερη από 1% κατ' όγκο. Η διάχυση του οξυγόνου στο νερό είναι χιλιάδες φορές μικρότερη από ό,τι στον αέρα, γεγονός που το καθιστά ακόμη λιγότερο διαθέσιμο. Επιπλέον, με την αύξηση της θερμοκρασίας και τον εμπλουτισμό του νερού με οργανικές ενώσεις, μειώνεται η περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Όλα αυτά καθιστούν ενεργειακά δυσμενή την ύπαρξη μεγάλου αριθμού θερμόαιμων οργανισμών στο υδάτινο περιβάλλον.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Το κύριο πλεονέκτημα των θερμόαιμων ζώων έναντι των ψυχρόαιμων είναι η προθυμία τους να δρουν ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτή είναι μια ευκαιρία να αντέξεις τις νυχτερινές θερμοκρασίες κοντά στο πάγωμα και την ανάπτυξη των βόρειων περιοχών της γης.
Το κύριο μειονέκτημα της θερμόαιμης διάθεσης είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας σώματος. Και η κύρια πηγή για αυτό είναι το φαγητό. Ένα θερμόαιμο λιοντάρι χρειάζεται δέκα φορές περισσότερη τροφή από έναν ψυχρόαιμο κροκόδειλο με το ίδιο βάρος.
