Różnorodność życia na naszej planecie uderza swoją skalą. Ostatnie badania kanadyjskich naukowców podają liczbę 8,7 miliona gatunków zwierząt, roślin, grzybów i mikroorganizmów zamieszkujących naszą planetę. Co więcej, opisano tylko około 20% z nich, a jest to 1,5 miliona znanych nam gatunków. Żywe organizmy zasiedliły wszystkie nisze ekologiczne na naszej planecie. W biosferze nie ma miejsca, w którym nie byłoby życia. W wywietrznikach wulkanów i na szczycie Everestu – wszędzie odnajdujemy życie w różnych jego przejawach. I niewątpliwie przyroda taką różnorodność i rozmieszczenie zawdzięcza pojawieniu się w procesie ewolucji zjawiska ciepłokrwistości (organizmów homeotermicznych).
Granicą życia jest temperatura
Podstawą życia jest metabolizm organizmu, który zależy od szybkości i charakteru procesów chemicznych. ALEte reakcje chemiczne są możliwe tylko w określonym zakresie temperatur, z własnymi wskaźnikami i czasem ekspozycji. W przypadku większej liczby organizmów za graniczne wskaźniki reżimu temperaturowego środowiska uważa się od 0 do +50 stopni Celsjusza.
Ale to jest wniosek spekulacyjny. Bardziej dokładne byłoby stwierdzenie, że granice temperatury życia będą tymi, w których nie ma denaturacji białek, a także nieodwracalnych zmian w koloidalnej charakterystyce cytoplazmy komórek, co stanowi naruszenie aktywności życiowych enzymów. Wiele organizmów wyewoluowało wysoce wyspecjalizowane systemy enzymatyczne, które pozwoliły im żyć w warunkach znacznie przekraczających te granice.
Klasyfikacja środowiskowa
Granice optymalnych temperatur życia determinują podział form życia na planecie na dwie grupy - kriofilów i termofilów. Pierwsza grupa preferuje zimno na całe życie i specjalizuje się w życiu w takich warunkach. Ponad 80% biosfery planety to regiony zimne o średniej temperaturze +5 °C. Są to głębiny oceanów, pustynie Arktyki i Antarktyki, tundry i wyżyny. Zwiększoną odporność na zimno zapewniają adaptacje biochemiczne.
System enzymatyczny kriofili skutecznie obniża energię aktywacji cząsteczek biologicznych i utrzymuje metabolizm w komórce w temperaturze bliskiej 0 °C. Jednocześnie adaptacje idą w dwóch kierunkach – w nabyciu oporu (opozycji) lub tolerancji (odporności) na zimno. Ekologiczna grupa termofilów to organizmy optymalne dlaktórych życie to obszary o wysokich temperaturach. Ich aktywność życiową zapewnia także specjalizacja adaptacji biochemicznych. Warto wspomnieć, że wraz z komplikacjami w organizacji ciała zmniejsza się jego zdolność do termofilii.
Temperatura ciała
Równowaga ciepła w żywym systemie to całość jego dopływu i odpływu. Temperatura ciała organizmów zależy od temperatury otoczenia (ciepło egzogenne). Ponadto obowiązkowym atrybutem życia jest ciepło endogenne - produkt metabolizmu wewnętrznego (procesy oksydacyjne i rozpad kwasu adenozynotrójfosforowego). Aktywność życiowa większości gatunków na naszej planecie zależy od ciepła egzogenicznego, a temperatura ich ciała zależy od przebiegu temperatur otoczenia. Są to organizmy poikilotermiczne (poikilo - różne), w których temperatura ciała jest zmienna.
Poikilotherms to wszystkie mikroorganizmy, grzyby, rośliny, bezkręgowce i większość strunowców. I tylko dwie grupy kręgowców - ptaki i ssaki - to organizmy homoiotermiczne (homoios - podobne). Utrzymują stałą temperaturę ciała, niezależnie od temperatury otoczenia. Nazywane są również zwierzętami stałocieplnymi. Ich główną różnicą jest obecność silnego przepływu ciepła wewnętrznego i systemu mechanizmów termoregulacyjnych. W efekcie w organizmach homoiotermicznych wszystkie procesy fizjologiczne zachodzą w optymalnych i stałych temperaturach.
Prawda i fałsz
Niektóre poikilotermyorganizmy takie jak ryby i szkarłupnie również mają stałą temperaturę ciała. Żyją w warunkach stałych temperatur zewnętrznych (głębokości oceanów czy jaskiń), gdzie temperatura otoczenia nie zmienia się. Nazywane są organizmami fałszywie homoiotermicznymi. Wiele zwierząt, które doświadczają hibernacji lub tymczasowego odrętwienia, ma wahającą się temperaturę ciała. Te prawdziwie homoiotermiczne organizmy (przykłady: świstaki, nietoperze, jeże, jerzyki i inne) nazywane są heterotermicznymi.
Drogi Aromorfozie
Pojawienie się homoitermii u żywych istot jest bardzo energochłonnym przejęciem ewolucyjnym. Naukowcy wciąż spierają się o genezę tej postępującej zmiany struktury, która doprowadziła do wzrostu poziomu organizacji. Zaproponowano wiele teorii dotyczących pochodzenia organizmów stałocieplnych. Niektórzy badacze przyznają, że nawet dinozaury mogą mieć tę cechę. Ale przy wszystkich nieporozumieniach naukowców jedno jest pewne: pojawienie się organizmów homoiotermicznych jest zjawiskiem bioenergetycznym. A komplikacja form życia wiąże się z usprawnieniem funkcjonalnym mechanizmów wymiany ciepła.
Kompensacja temperatury
Zdolność niektórych organizmów poikilotermicznych do utrzymywania stałego poziomu procesów metabolicznych w szerokim zakresie zmian temperatury ciała jest zapewniana przez adaptacje biochemiczne i nazywana jest kompensacją temperatury. Opiera się na zdolności niektórych enzymów do zmiany konfiguracji wraz ze spadkiem temperatury i zwiększenia ich powinowactwa do substratu, zwiększając szybkość reakcji. Na przykład w małżach małżyNa Morzu Barentsa zużycie tlenu nie zależy od temperatury otoczenia, która waha się od 25 °C (+5 do +30 °C).
Formy pośrednie
Biolodzy ewolucyjni znaleźli tych samych przedstawicieli form przejściowych, od ssaków poikilotermicznych po ciepłokrwiste. Kanadyjscy biolodzy z Brock University odkryli sezonową stałocieplność u argentyńskiego czarno-białego tegu (Alvator merianae). Ta prawie metrowa jaszczurka żyje w Ameryce Południowej. Jak większość gadów, tegu w ciągu dnia wygrzewa się na słońcu, a nocą chowa się w norach i jaskiniach, gdzie się ochładza. Ale w okresie lęgowym od września do października gwałtownie wzrasta temperatura tegu, częstość oddechów i rytm skurczów serca rano. Temperatura ciała jaszczurki może przekroczyć temperaturę w jaskini o dziesięć stopni. Świadczy to o przejściu form od zwierząt zimnokrwistych do zwierząt homoiotermicznych.
Mechanizmy termoregulacji
Organizmy homoiotermiczne zawsze pracują, aby zapewnić działanie głównych systemów - krążenia, oddechowego, wydalniczego - generując minimalną produkcję ciepła. To minimum wytwarzane w spoczynku nazywa się metabolizmem podstawowym. Przejście do stanu aktywnego u stałocieplnych zwierząt zwiększa produkcję ciepła i potrzebują one mechanizmów zwiększających transfer ciepła, aby zapobiec denaturacji białek.
Proces osiągania równowagi między tymi procesami zapewnia termoregulacja chemiczna i fizyczna. Mechanizmy te zapewniają ochronę organizmów homoiotermicznych przed niskimi temperaturami iprzegrzanie. Mechanizmy utrzymania stałej temperatury ciała (termoregulacja chemiczna i fizyczna) mają różne źródła i są bardzo zróżnicowane.
Termoregulacja chemiczna
W odpowiedzi na spadek temperatury otoczenia zwierzęta stałocieplne odruchowo zwiększają wytwarzanie ciepła endogennego. Osiąga się to poprzez nasilenie procesów oksydacyjnych, zwłaszcza w tkankach mięśniowych. Nieskoordynowany skurcz mięśni (drżenie) i napięcie termoregulacyjne to pierwsze etapy zwiększonej produkcji ciepła. Jednocześnie wzrasta metabolizm lipidów, a tkanka tłuszczowa staje się kluczem do lepszej termoregulacji. Ssaki w zimnym klimacie mają nawet brązowy tłuszcz, którego całe ciepło z utleniania rozgrzewa ciało. Ten wydatek energetyczny wymaga od zwierzęcia albo spożywania dużej ilości pokarmu, albo posiadania znacznych rezerw tłuszczu. Przy braku tych zasobów termoregulacja chemiczna ma swoje granice.
Mechanizmy termoregulacji fizycznej
Ten rodzaj termoregulacji nie wymaga dodatkowych kosztów wytwarzania ciepła, ale odbywa się poprzez zachowanie ciepła endogenicznego. Odbywa się to poprzez parowanie (pocenie), promieniowanie (promieniowanie), przewodzenie ciepła (przewodzenie) i konwekcję skóry. Metody termoregulacji fizycznej rozwinęły się w toku ewolucji i stają się coraz doskonalsze przy badaniu szeregu filogenetycznego od owadożerców i nietoperzy po ssaki.
Przykładem takiej regulacji jest zwężenie lub rozszerzenie naczyń włosowatych skóry, które ulegają zmianomprzewodnictwo cieplne, właściwości termoizolacyjne futra i piór, przeciwprądowa wymiana ciepła krwi między naczyniami powierzchniowymi a naczyniami narządów wewnętrznych. Rozpraszanie ciepła jest regulowane przez nachylenie włosia futra i piór, pomiędzy którymi zachowana jest szczelina powietrzna.
U ssaków morskich tłuszcz podskórny jest rozprowadzany po całym ciele, chroniąc ciepło wewnętrzne. Np. w fokach taki worek tłuszczowy osiąga nawet 50% całkowitej wagi. Dzięki temu śnieg nie topnieje pod leżącymi godzinami na lodzie fokami. Dla zwierząt żyjących w gorącym klimacie równomierne rozmieszczenie tkanki tłuszczowej na całej powierzchni ciała byłoby śmiertelne. Dlatego ich tłuszcz gromadzi się tylko w niektórych częściach ciała (garb wielbłąda, gruby ogon owcy), co nie zapobiega parowaniu z całej powierzchni ciała. Ponadto zwierzęta północnego zimnego klimatu mają specjalną tkankę tłuszczową (tłuszcz brązowy), która jest całkowicie wykorzystywana do ogrzewania ciała.
Bardziej na południe - większe uszy i dłuższe nogi
Różne części ciała nie mają sobie równych pod względem wymiany ciepła. Dla utrzymania wymiany ciepła ważny jest stosunek powierzchni ciała do jego objętości, ponieważ objętość ciepła wewnętrznego zależy od masy ciała, a przekazywanie ciepła odbywa się przez powłoki. Wystające części ciała mają dużą powierzchnię, co jest dobre w gorącym klimacie, gdzie ciepłokrwiste zwierzęta potrzebują dużo wymiany ciepła. Na przykład duże uszy z wieloma naczyniami krwionośnymi, długie kończyny i ogon są typowe dla mieszkańców gorącego klimatu (słoń, fenek, afrykańskiskoczek pustynny z długimi uszami). W niskich temperaturach adaptacja podąża ścieżką oszczędzania powierzchni do objętości (uszy i ogon fok).
Istnieje inne prawo dotyczące zwierząt stałocieplnych – im dalej na północ żyją przedstawiciele jednej grupy filogenetycznej, tym są więksi. Wiąże się to również ze stosunkiem objętości powierzchni parowania, a zatem z utratą ciepła i masą zwierzęcia.
Etologia i wymiana ciepła
Cechy behawioralne odgrywają również ważną rolę w procesach wymiany ciepła, zarówno dla zwierząt poikilotermicznych, jak i homeotermicznych. Obejmuje to zmiany postawy, budowę schronień i różne migracje. Im większa głębokość otworu, tym łagodniejszy przebieg temperatur. Na średnich szerokościach geograficznych, na głębokości 1,5 metra, sezonowe wahania temperatury są niezauważalne.
Zachowanie grupowe jest również wykorzystywane do termoregulacji. Tak więc pingwiny gromadzą się razem, mocno przylegając do siebie. Wewnątrz hałdy temperatura jest zbliżona do temperatury ciała pingwinów (+37 ° C) nawet podczas najcięższych mrozów. Wielbłądy robią to samo – w środku grupy temperatura wynosi około +39°C, a sierść zwierząt skrajnych może być podgrzana do +70°C.
Hibernacja to specjalna strategia
Stan apatii (odrętwienie) lub hibernacja to specjalne strategie zwierząt stałocieplnych, które pozwalają wykorzystać zmiany temperatury ciała do celów adaptacyjnych. W tym stanie zwierzęta przestają utrzymywać temperaturę ciała i obniżają ją prawie do zera. Hibernacja charakteryzuje się spadkiem tempa metabolizmu izużycie zgromadzonych zasobów. To dobrze uregulowany stan fizjologiczny, kiedy mechanizmy termoregulacyjne przechodzą na niższy poziom – spada tętno (np. u popielicy z 450 do 35 uderzeń na minutę), zużycie tlenu spada 20-100 razy.
Przebudzenie wymaga energii i następuje przez samoogrzewanie, czego nie należy mylić z otępieniem zwierząt zimnokrwistych, gdzie jest spowodowane spadkiem temperatury otoczenia i jest stanem nieregulowanym przez sam organizm (przebudzenie występuje pod wpływem czynników zewnętrznych).
Stupor jest również stanem uregulowanym, ale temperatura ciała spada tylko o kilka stopni i często towarzyszy rytmom dobowym. Na przykład kolibry stają się odrętwiałe w nocy, gdy temperatura ich ciała spada z 40°C do 18°C. Istnieje wiele przejść między śpiączką a hibernacją. Tak więc, chociaż sen niedźwiedzi nazywamy zimową hibernacją, w rzeczywistości ich metabolizm nieznacznie spada, a temperatura ciała spada tylko o 3-6 ° C. W tym stanie niedźwiedzica rodzi młode.
Dlaczego w środowisku wodnym jest niewiele organizmów homoitermicznych
Wśród hydrobiontów (organizmów żyjących w środowisku wodnym) jest niewielu przedstawicieli zwierząt stałocieplnych. Wieloryby, delfiny, uchatki to wtórne zwierzęta wodne, które powróciły do środowiska wodnego z lądu. Ciepłokrwistość związana jest przede wszystkim z nasileniem procesów metabolicznych, których podstawą są reakcje utleniania. A tlen odgrywa tu główną rolę. I, jak wiesz, ww środowisku wodnym zawartość tlenu nie przekracza 1% objętości. Dyfuzja tlenu w wodzie jest tysiące razy mniejsza niż w powietrzu, co czyni go jeszcze mniej dostępnym. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury i wzbogacaniem wody w związki organiczne spada zawartość tlenu. Wszystko to sprawia, że istnienie dużej liczby organizmów stałocieplnych w środowisku wodnym jest energetycznie niekorzystne.
Wady i zalety
Główną przewagą zwierząt stałocieplnych nad zimnokrwistymi jest ich chęć do działania niezależnie od temperatury otoczenia. Jest to szansa na wytrzymanie nocnych temperatur bliskich zamarzaniu oraz zagospodarowanie północnych terytoriów krainy.
Główną wadą stałocieplności jest wysokie zużycie energii na utrzymanie stałej temperatury ciała. A głównym źródłem tego jest jedzenie. Lew stałocieplny potrzebuje dziesięć razy więcej jedzenia niż krokodyl zimnokrwisty o tej samej wadze.
