Mūsų planetos gyvybės įvairovė stebina savo mastu. Naujausi Kanados mokslininkų tyrimai rodo, kad mūsų planetoje gyvena 8,7 milijono gyvūnų, augalų, grybų ir mikroorganizmų rūšių. Be to, aprašyta tik apie 20% jų, ir tai yra 1,5 milijono mums žinomų rūšių. Gyvi organizmai apgyvendino visas ekologines planetos nišas. Biosferoje nėra vietos, kur nebūtų gyvybės. Ugnikalnių angose ir Everesto viršūnėje – visur, kur randame gyvybę įvairiomis jo apraiškomis. Ir, be jokios abejonės, gamta tokią įvairovę ir pasiskirstymą lemia šiltakraujiškumo reiškinio (homeoterminių organizmų) atsiradimas evoliucijos procese.
Gyvybės riba yra temperatūra
Gyvybės pagrindas – organizmo medžiagų apykaita, kuri priklauso nuo cheminių procesų greičio ir pobūdžio. BETšios cheminės reakcijos įmanomos tik tam tikrame temperatūrų diapazone, turint savo rodiklius ir poveikio trukmę. Didesniam organizmų skaičiui laikomi aplinkos temperatūros režimo ribiniai rodikliai nuo 0 iki +50 laipsnių Celsijaus.
Bet tai yra spekuliacinė išvada. Tiksliau būtų sakyti, kad gyvybės temperatūros ribos bus tokios, kai nevyksta b altymų denatūracija, taip pat negrįžtami ląstelių citoplazmos koloidinių savybių pokyčiai, gyvybiškai svarbių fermentų veiklos pažeidimas. Ir daugelis organizmų sukūrė labai specializuotas fermentines sistemas, kurios leido jiems gyventi sąlygomis, kurios gerokai viršija šias ribas.
Aplinkosaugos klasifikacija
Optimialios gyvybės temperatūros ribos nulemia gyvybės formų planetoje padalijimą į dvi grupes – kriofilus ir termofilus. Pirmoji grupė mėgsta š altį visą gyvenimą ir yra specializuota gyventi tokiomis sąlygomis. Daugiau nei 80% planetos biosferos yra š alti regionai, kurių vidutinė temperatūra yra +5 °C. Tai vandenynų gelmės, Arkties ir Antarkties dykumos, tundra ir aukštumos. Padidėjęs atsparumas šalčiui užtikrinamas biocheminėmis adaptacijomis.
Fermentinė kriofilų sistema efektyviai sumažina biologinių molekulių aktyvacijos energiją ir palaiko medžiagų apykaitą ląstelėje esant artimai 0 °C temperatūrai. Tuo pačiu metu adaptacijos vyksta dviem kryptimis – įgyjant atsparumą (opoziciją) arba toleranciją (atsparumą) šalčiui. Ekologinė termofilų grupė yra organizmai, kurie yra optimalūskurių gyvenimas yra aukštos temperatūros sritys. Jų gyvybinę veiklą užtikrina ir biocheminių adaptacijų specializacija. Verta paminėti, kad komplikuojant organizmo organizaciją mažėja jo gebėjimas susirgti termofilija.
Kūno temperatūra
Šilumos balansas gyvoje sistemoje yra jos įtekėjimo ir ištekėjimo visuma. Organizmų kūno temperatūra priklauso nuo aplinkos temperatūros (egzogeninės šilumos). Be to, privalomas gyvybės atributas yra endogeninė šiluma – vidinės apykaitos (oksidacinių procesų ir adenozino trifosforo rūgšties skilimo) produktas. Daugumos rūšių gyvybinė veikla mūsų planetoje priklauso nuo egzogeninės šilumos, o jų kūno temperatūra – nuo aplinkos temperatūrų eigos. Tai poikiloterminiai organizmai (poikilos – įvairūs), kurių kūno temperatūra kinta.
Poikilotermai yra visi mikroorganizmai, grybai, augalai, bestuburiai ir dauguma chordatų. Ir tik dvi stuburinių grupės – paukščiai ir žinduoliai – yra homoioterminiai organizmai (homoios – panašūs). Jie palaiko pastovią kūno temperatūrą, nepriklausomai nuo aplinkos temperatūros. Jie taip pat vadinami šiltakraujai gyvūnais. Pagrindinis jų skirtumas yra galingo vidinio šilumos srauto ir termoreguliacinių mechanizmų sistemos buvimas. Dėl to homoioterminiuose organizmuose visi fiziologiniai procesai vyksta optimalioje ir pastovioje temperatūroje.
Tiesa ir klaidinga
Kai kurios poikilotermosorganizmai, tokie kaip žuvys ir dygiaodžiai, taip pat turi pastovią kūno temperatūrą. Jie gyvena pastovios išorinės temperatūros sąlygomis (vandenyno ar urvų gelmėse), kur aplinkos temperatūra nekinta. Jie vadinami klaidingai homoioterminiais organizmais. Daugelio gyvūnų, kurie patiria žiemos miegą arba laikiną vargimą, kūno temperatūra svyruoja. Šie tikrai homoioterminiai organizmai (pavyzdžiui: kiaunės, šikšnosparniai, ežiai, snapeliai ir kiti) vadinami heteroterminiais.
Brangioji aromorfozė
Gyvų būtybių homoiotermijos atsiradimas yra labai daug energijos reikalaujantis evoliucinis rezultatas. Mokslininkai vis dar ginčijasi dėl šio laipsniško struktūros pasikeitimo, dėl kurio pakilo organizacijos lygis, kilmės. Buvo pasiūlyta daug teorijų apie šiltakraujų organizmų kilmę. Kai kurie tyrinėtojai pripažįsta, kad net dinozaurai gali turėti šią savybę. Tačiau nepaisant visų mokslininkų nesutarimų, aišku viena: homoioterminių organizmų atsiradimas yra bioenergetinis reiškinys. O gyvybės formų komplikacija siejama su šilumos perdavimo mechanizmų funkciniu tobulėjimu.
Temperatūros kompensacija
Kai kurių poikiloterminių organizmų gebėjimas palaikyti pastovų medžiagų apykaitos procesų lygį esant įvairiems kūno temperatūros pokyčiams užtikrinamas biocheminėmis adaptacijomis ir vadinamas temperatūros kompensavimu. Jis pagrįstas kai kurių fermentų gebėjimu keisti savo konfigūraciją mažėjant temperatūrai ir padidinti jų afinitetą su substratu, padidinant reakcijų greitį. Pavyzdžiui, dvigeldžiuose midijoseBarenco jūroje deguonies suvartojimas nepriklauso nuo aplinkos temperatūros, kuri svyruoja nuo 25 °C (+5 iki +30 °C).
Tarpinės formos
Evoliucijos biologai rado tuos pačius pereinamųjų formų atstovus nuo poikiloterminių iki šiltakraujų žinduolių. Kanados biologai iš Broko universiteto aptiko sezoninį šiltakraujiškumą Argentinos juodai b altame tegu (Alvator merianae). Šis beveik metro driežas gyvena Pietų Amerikoje. Kaip ir dauguma roplių, tegu kaitinasi saulėje dieną, o naktį slepiasi urveliuose ir urvuose, kur atvėsta. Tačiau veisimosi sezono metu nuo rugsėjo iki spalio smarkiai padidėja tegu temperatūra, kvėpavimo dažnis ir širdies susitraukimų ritmas ryte. Driežo kūno temperatūra gali dešimčia laipsnių viršyti temperatūrą oloje. Tai įrodo formų perėjimą iš š altakraujų į homoioterminius gyvūnus.
Termoreguliacijos mechanizmai
Homoioterminiai organizmai visada dirba tam, kad užtikrintų pagrindinių sistemų – kraujotakos, kvėpavimo, šalinimo – veiklą generuodami minimalų šilumos gamybą. Šis ramybės būsenos minimumas vadinamas baziniu metabolizmu. Šiltakraujų gyvūnų perėjimas į aktyvią būseną padidina šilumos gamybą, todėl jiems reikia mechanizmų, kurie padidintų šilumos perdavimą, kad būtų išvengta b altymų denatūravimo.
Šių procesų pusiausvyros siekimo procesą užtikrina cheminė ir fizinė termoreguliacija. Šie mechanizmai užtikrina homoioterminių organizmų apsaugą nuo žemos temperatūros irperkaitimas. Pastovios kūno temperatūros palaikymo mechanizmai (cheminė ir fizinė termoreguliacija) turi skirtingus š altinius ir yra labai įvairūs.
Cheminė termoreguliacija
Reaguodami į aplinkos temperatūros mažėjimą, šiltakraujai gyvūnai refleksiškai padidina endogeninės šilumos gamybą. Tai pasiekiama padidinus oksidacinius procesus, ypač raumenų audiniuose. Nekoordinuotas raumenų susitraukimas (drebėjimas) ir termoreguliacinis tonusas yra pirmieji šilumos gamybos didinimo etapai. Kartu suaktyvėja lipidų apykaita, o riebalinis audinys tampa raktu į geresnę termoreguliaciją. Š alto klimato žinduoliai turi net rudųjų riebalų, kurių oksidacijos metu išskiriama visa šiluma kūnui sušildyti. Dėl šių energijos sąnaudų gyvūnas turi suvartoti daug maisto arba turėti didelių riebalų atsargų. Trūkstant šių išteklių, cheminė termoreguliacija turi savo ribas.
Fizikinės termoreguliacijos mechanizmai
Šis termoreguliacijos būdas nereikalauja papildomų išlaidų šilumos gamybai, tačiau yra vykdomas išsaugant endogeninę šilumą. Tai atliekama išgarinant (prakaituojant), spinduliuojant (radiacija), šilumos laidumu (laidumu) ir odos konvekcija. Fizinės termoreguliacijos metodai buvo sukurti evoliucijos eigoje ir tampa vis tobulesni tiriant filogenetines serijas nuo vabzdžiaėdžių ir šikšnosparnių iki žinduolių.
Tokio reguliavimo pavyzdys yra odos kraujo kapiliarų susiaurėjimas arba išsiplėtimas, kuris keičiasišilumos laidumas, kailio ir plunksnų šilumą izoliuojančios savybės, priešsrovinis kraujo šilumos mainai tarp paviršinių kraujagyslių ir vidaus organų kraujagyslių. Šilumos išsklaidymą reguliuoja kailio plaukų ir plunksnų nuolydis, tarp kurių išlaikomas oro tarpas.
Jūrų žinduolių poodiniai riebalai pasiskirsto visame kūne, apsaugantys vidaus šilumą. Pavyzdžiui, ruoniuose toks riebalų maišelis siekia iki 50% viso svorio. Būtent todėl po ant ledo gulinčiais ruoniais sniegas netirpsta valandų valandas. Gyvūnams, gyvenantiems karštame klimate, tolygus kūno riebalų pasiskirstymas visame kūno paviršiuje būtų mirtinas. Todėl jų riebalai kaupiasi tik tam tikrose kūno vietose (kupranugario kupra, avies riebioje uodegoje), o tai netrukdo išgaruoti nuo viso kūno paviršiaus. Be to, šiaurinio š alto klimato gyvūnai turi specialų riebalinį audinį (ruduosius riebalus), kuris visiškai naudojamas kūno šildymui.
Daugiau pietų – didesnės ausys ir ilgesnės kojos
Įvairios kūno dalys toli gražu nėra lygiavertės šilumos perdavimo požiūriu. Šilumos perdavimui palaikyti svarbus kūno paviršiaus ir jo tūrio santykis, nes vidinės šilumos tūris priklauso nuo kūno masės, o šilumos perdavimas vyksta per integumentus. Išsikišusios kūno dalys turi didelį paviršių, o tai naudinga karštam klimatui, kur šiltakraujams gyvūnams reikia daug šilumos perdavimo. Pavyzdžiui, didelės ausys su daugybe kraujagyslių, ilgos galūnės ir uodega būdingos karšto klimato gyventojams (dramblys, feneko lapė, afrikietėilgaausis jerboa). Š altomis sąlygomis prisitaikymas seka ploto taupymo prie tūrio keliu (plombų ausys ir uodega).
Egzistuoja dar vienas šiltakraujų gyvūnų dėsnis – kuo toliau į šiaurę gyvena vienos filogenetinės grupės atstovai, tuo jie didesni. Ir tai taip pat susiję su garavimo paviršiaus tūrio ir atitinkamai šilumos nuostolių bei gyvūno masės santykiu.
Etologija ir šilumos perdavimas
Elgesio ypatybės taip pat vaidina svarbų vaidmenį šilumos perdavimo procesuose, tiek poikiloterminių, tiek homeoterminių gyvūnų. Tai ir laikysenos pokyčiai, ir pastogių statyba, ir įvairios migracijos. Kuo didesnis skylės gylis, tuo sklandesnė temperatūrų eiga. Vidutinėse platumose, 1,5 metro gylyje, sezoniniai temperatūros svyravimai yra nepastebimi.
Grupės elgesys taip pat naudojamas termoreguliacijai. Taigi, pingvinai glaudžiasi kartu, tvirtai prigludę vienas prie kito. Krūvos viduje temperatūra yra artima pingvinų kūno temperatūrai (+37 ° C) net esant stipriausioms šalnoms. Tą patį daro ir kupranugariai – grupės centre temperatūra apie +39 °C, o atokiausių gyvūnų kailis gali įkaisti iki +70 °C.
Hibernacija yra ypatinga strategija
Torpid būsena (stuporas) arba žiemos miegas yra specialios šiltakraujų gyvūnų strategijos, leidžiančios pritaikyti kūno temperatūros pokyčius. Šioje būsenoje gyvūnai nustoja palaikyti kūno temperatūrą ir sumažina ją beveik iki nulio. Žiemos miegui būdingas medžiagų apykaitos greičio sumažėjimas irsukauptų išteklių suvartojimas. Tai gerai sureguliuota fiziologinė būsena, kai termoreguliacijos mechanizmai persijungia į žemesnį lygį – sumažėja širdies susitraukimų dažnis (pavyzdžiui, miegapelei nuo 450 iki 35 dūžių per minutę), deguonies suvartojimas sumažėja 20-100 kartų.
Pabudimas reikalauja energijos ir vyksta savaime sušilus, ko nereikėtų painioti su š altakraujų gyvūnų stuporu, kai jį sukelia sumažėjusi aplinkos temperatūra ir yra paties organizmo nereguliuojama būsena (pabudimas). atsiranda veikiant išoriniams veiksniams).
Stuporas taip pat yra sureguliuota būsena, tačiau kūno temperatūra nukrenta vos keliais laipsniais ir dažnai lydi cirkadinį ritmą. Pavyzdžiui, kolibriai sustingsta naktį, kai jų kūno temperatūra nukrenta nuo 40°C iki 18°C. Yra daug perėjimų tarp slogos ir žiemos miego. Taigi, nors lokių miegą vadiname žiemos žiemos miegu, iš tikrųjų jų medžiagų apykaita šiek tiek sumažėja, o kūno temperatūra nukrenta tik 3–6 °C. Tokios būklės lokys atsiveda jauniklius.
Kodėl vandens aplinkoje yra mažai homoioterminių organizmų
Tarp hidrobiontų (vandens aplinkoje gyvenančių organizmų) yra nedaug šiltakraujų gyvūnų atstovų. Banginiai, delfinai, kailiniai ruoniai yra antriniai vandens gyvūnai, grįžę iš sausumos į vandens aplinką. Šiltakraujiškumas visų pirma siejamas su medžiagų apykaitos procesų padidėjimu, kurio pagrindas yra oksidacijos reakcijos. Ir deguonis čia vaidina pagrindinį vaidmenį. Ir, kaip žinote, įvandens aplinkoje deguonies kiekis ne didesnis kaip 1 % tūrio. Deguonies difuzija vandenyje yra tūkstančius kartų mažesnė nei ore, todėl jis dar mažiau prieinamas. Be to, kylant temperatūrai ir sodrinant vandenį organiniais junginiais, mažėja deguonies kiekis. Visa tai daro didelį šiltakraujų organizmų egzistavimą vandens aplinkoje energetiškai nepalankią.
Pliusai ir trūkumai
Pagrindinis šiltakraujų gyvūnų pranašumas prieš š altakraujus yra jų noras veikti nepriklausomai nuo aplinkos temperatūros. Tai galimybė atlaikyti nakties temperatūrą, artimą šalčiui, ir šiaurinių sausumos teritorijų vystymąsi.
Pagrindinis šiltakraujiškumo trūkumas yra didelis energijos suvartojimas pastoviai kūno temperatūrai palaikyti. Ir pagrindinis to š altinis yra maistas. Šiltakraujam liūtui maisto reikia dešimt kartų daugiau nei tokio pat svorio š altakraujam krokodilui.
