Diversitatea vieții de pe planeta noastră este uimitoare prin amploarea sa. Studii recente ale oamenilor de știință canadieni oferă o cifră de 8,7 milioane de specii de animale, plante, ciuperci și microorganisme care locuiesc pe planeta noastră. Mai mult decât atât, doar aproximativ 20% dintre ele sunt descrise și este vorba despre 1,5 milioane de specii cunoscute de noi. Organismele vii au populat toate nișele ecologice de pe planetă. Nu există loc în biosferă în care să nu existe viață. În gurile vulcanilor și pe vârful Everestului - peste tot găsim viață în diferitele ei manifestări. Și, fără îndoială, natura datorează o asemenea diversitate și distribuție apariției în procesul de evoluție a fenomenului de sânge cald (organisme homeoterme).
Limita vieții este temperatura
Baza vieții este metabolismul organismului, care depinde de viteza și natura proceselor chimice. DARaceste reacții chimice sunt posibile numai într-un anumit interval de temperatură, cu proprii indicatori și durată de expunere. Pentru un număr mai mare de organisme, indicatorii de limită ai regimului de temperatură al mediului sunt considerați a fi de la 0 la +50 grade Celsius.
Dar aceasta este o concluzie speculativă. Ar fi mai corect să spunem că limitele de temperatură ale vieții vor fi acelea la care nu există denaturarea proteinelor, precum și modificări ireversibile ale caracteristicilor coloidale ale citoplasmei celulelor, o încălcare a activității enzimelor vitale. Și multe organisme au dezvoltat sisteme enzimatice foarte specializate, care le-au permis să trăiască în condiții mult peste aceste limite.
Clasificare de mediu
Granițele temperaturilor optime de viață determină împărțirea formelor de viață de pe planetă în două grupe - criofile și termofile. Primul grup preferă frigul pe viață și este specializat pe viață în astfel de condiții. Peste 80% din biosfera planetei sunt regiuni reci cu o temperatură medie de +5 °C. Acestea sunt adâncurile oceanelor, deșerturile arctice și antarctice, tundra și zonele în alte. Rezistența crescută la frig este oferită de adaptările biochimice.
Sistemul enzimatic al criofililor scade în mod eficient energia de activare a moleculelor biologice și menține metabolismul în celulă la o temperatură apropiată de 0 °C. În același timp, adaptările merg în două direcții - în dobândirea rezistenței (opoziției) sau toleranței (rezistenței) la frig. Grupul ecologic de termofili sunt organisme optime pentruale căror vieți sunt zone cu temperaturi ridicate. Activitatea lor de viață este asigurată și de specializarea adaptărilor biochimice. Merită menționat faptul că, odată cu complicarea organizării organismului, capacitatea acestuia de termofilie scade.
Temperatura corpului
Echilibrul de căldură într-un sistem viu este totalitatea afluxului și ieșirii acestuia. Temperatura corpului organismelor depinde de temperatura mediului ambiant (caldura exogena). În plus, un atribut obligatoriu al vieții este căldura endogenă - un produs al metabolismului intern (procesele oxidative și descompunerea acidului adenozin trifosforic). Activitatea vitală a majorității speciilor de pe planeta noastră depinde de căldura exogenă, iar temperatura corpului lor depinde de cursul temperaturilor ambiante. Acestea sunt organisme poikiloterme (poikilos - diverse), la care temperatura corpului este variabilă.
Poikilotermele sunt toate microorganismele, ciupercile, plantele, nevertebratele și majoritatea cordatelor. Și doar două grupuri de vertebrate - păsări și mamifere - sunt organisme homoioterme (homoios - similare). Acestea mențin o temperatură constantă a corpului, indiferent de temperatura ambiantă. Se mai numesc și animale cu sânge cald. Principala lor diferență este prezența unui flux puternic de căldură internă și a unui sistem de mecanisme de termoreglare. Ca urmare, la organismele homoioterme, toate procesele fiziologice se desfășoară la temperaturi optime și constante.
Adevărat și fals
Câteva poikilotermeorganisme precum peștii și echinodermele au și ele o temperatură constantă a corpului. Ei trăiesc în condiții de temperaturi exterioare constante (adâncurile oceanului sau peșteri), unde temperatura ambiantă nu se modifică. Ele sunt numite organisme fals homoioterme. Multe animale care se confruntă cu hibernarea sau torpoarea temporară au temperaturi corporale fluctuante. Aceste organisme cu adevărat homoioterme (exemple: marmote, lilieci, arici, ghioce și altele) sunt numite heteroterme.
Dragă aromorfoză
Apariția homoiotermiei la ființele vii este o achiziție evolutivă foarte consumatoare de energie. Savanții încă se ceartă despre originea acestei schimbări progresive de structură, care a dus la creșterea nivelului de organizare. Au fost propuse multe teorii pentru originea organismelor cu sânge cald. Unii cercetători admit că până și dinozaurii ar putea avea această caracteristică. Dar cu toate dezacordurile oamenilor de știință, un lucru este cert: apariția organismelor homoioterme este un fenomen bioenergetic. Și complicația formelor de viață este asociată cu îmbunătățirea funcțională a mecanismelor de transfer de căldură.
Compensarea temperaturii
Capacitatea unor organisme poikiloterme de a menține un nivel constant al proceselor metabolice într-o gamă largă de modificări ale temperaturii corpului este asigurată de adaptări biochimice și se numește compensare de temperatură. Se bazează pe capacitatea unor enzime de a-și schimba configurația odată cu scăderea temperaturii și de a le crește afinitatea cu substratul, crescând viteza reacțiilor. De exemplu, la midii bivalveÎn Marea Barents, consumul de oxigen nu depinde de temperaturile ambiante, care variază de la 25 °C (+5 la +30 °C).
Forme intermediare
Biologii evoluționari au găsit aceiași reprezentanți ai formelor de tranziție de la mamifere poikiloterme la mamifere cu sânge cald. Biologii canadieni de la Universitatea Brock au descoperit sânge cald sezonier la tegu alb-negru argentinian (Alvator merianae). Această șopârlă de aproape un metru trăiește în America de Sud. La fel ca majoritatea reptilelor, tegu se lasă la soare în timpul zilei și se ascunde în vizuini și peșteri noaptea, unde se răcește. Dar în timpul sezonului de reproducere din septembrie până în octombrie, temperatura tegu, ritmul respirator și ritmul contracțiilor inimii dimineața cresc brusc. Temperatura corpului unei șopârle poate depăși temperatura dintr-o peșteră cu zece grade. Acest lucru demonstrează trecerea formelor de la animale cu sânge rece la animale homoioterme.
Mecanisme de termoreglare
Organismele homoioterme lucrează întotdeauna pentru a asigura funcționarea principalelor sisteme - circulator, respirator, excretor - prin generarea unui minim de producție de căldură. Acest minim produs în repaus se numește metabolism bazal. Tranziția la starea activă la animalele cu sânge cald crește producția de căldură și au nevoie de mecanisme pentru a crește transferul de căldură pentru a preveni denaturarea proteinelor.
Procesul de realizare a unui echilibru între aceste procese este asigurat de termoreglarea chimică și fizică. Aceste mecanisme asigură protecția organismelor homoioterme de temperaturi scăzute șisupraîncălzire. Mecanismele de menținere a temperaturii corporale constante (termoreglarea chimică și fizică) au surse diferite și sunt foarte diverse.
Termoreglare chimică
Ca răspuns la o scădere a temperaturii mediului, animalele cu sânge cald cresc în mod reflex producția de căldură endogenă. Acest lucru se realizează prin creșterea proceselor oxidative, în special în țesuturile musculare. Contracția musculară necoordonată (tremurul) și tonusul termoreglator sunt primele etape ale creșterii producției de căldură. În același timp, metabolismul lipidic crește, iar țesutul adipos devine cheia unei termoreglari mai bune. Mamiferele aflate într-un climat rece au chiar și grăsime brună, toată căldura de la oxidarea căreia se duce la încălzirea corpului. Această cheltuială energetică impune animalului fie să consume o cantitate mare de hrană, fie să aibă rezerve substanțiale de grăsime. Cu lipsa acestor resurse, termoreglarea chimică are limitele sale.
Mecanisme de termoreglare fizică
Acest tip de termoreglare nu necesită costuri suplimentare pentru generarea căldurii, ci se realizează prin conservarea căldurii endogene. Se realizează prin evaporare (transpirație), radiații (radiații), conducție termică (conducție) și convecție a pielii. Metodele de termoreglare fizică s-au dezvoltat în cursul evoluției și devin din ce în ce mai perfecte atunci când studiem seria filogenetică de la insectivore și lilieci la mamifere.
Un exemplu de astfel de reglementare este îngustarea sau extinderea capilarelor sanguine ale pielii, care se modificăconductivitate termică, proprietăți termoizolante ale blănii și penelor, schimbul de căldură în contracurent al sângelui între vasele superficiale și vasele organelor interne. Disiparea căldurii este reglată de panta părului de blană și a penelor, între care se menține un spațiu de aer.
La mamiferele marine, grăsimea subcutanată este distribuită în tot corpul, protejând endo-căldura. De exemplu, în sigilii, o astfel de pungă de grăsime ajunge până la 50% din greutatea totală. De aceea zăpada nu se topește sub focile care zac pe gheață ore în șir. Pentru animalele care trăiesc în climă caldă, o distribuție uniformă a grăsimii corporale pe întreaga suprafață a corpului ar fi fatală. Prin urmare, grăsimea lor se acumulează doar în anumite părți ale corpului (cocoașa unei cămile, coada groasă a unei oi), ceea ce nu împiedică evaporarea de pe întreaga suprafață a corpului. În plus, animalele din climatul rece nordic au un țesut adipos special (grăsime brună), care este folosit în întregime pentru încălzirea corpului.
Mai mult la sud - urechi mai mari și picioare mai lungi
Diferitele părți ale corpului sunt departe de a fi echivalente în ceea ce privește transferul de căldură. Pentru a menține transferul de căldură, raportul dintre suprafața corpului și volumul acestuia este important, deoarece volumul căldurii interne depinde de masa corpului, iar transferul de căldură are loc prin tegumente. Părțile proeminente ale corpului au o suprafață mare, ceea ce este bun pentru climatele calde, unde animalele cu sânge cald au nevoie de mult transfer de căldură. De exemplu, urechile mari cu multe vase de sânge, membrele lungi și o coadă sunt tipice pentru locuitorii unui climat cald (elefantul, vulpea fennec, africanul).jerbo cu urechi lungi). În condiții de frig, adaptarea urmează calea de salvare a zonei la volum (urechile și coada focilor).
Există o altă lege pentru animalele cu sânge cald - cu cât trăiesc mai la nord reprezentanții unui grup filogenetic, cu atât sunt mai mari. Și acest lucru este, de asemenea, legat de raportul dintre volumul suprafeței de evaporare și, în consecință, pierderea de căldură și masa animalului.
Etologie și transfer de căldură
Caracteristicile comportamentale joacă, de asemenea, un rol important în procesele de transfer de căldură, atât pentru animalele poikiloterme, cât și pentru cele homeoterme. Aceasta include schimbări de postură și construirea de adăposturi și diverse migrații. Cu cât adâncimea găurii este mai mare, cu atât cursul temperaturilor este mai fin. Pentru latitudini medii, la o adâncime de 1,5 metri, fluctuațiile sezoniere ale temperaturii sunt imperceptibile.
Comportamentul grupului este folosit și pentru termoreglare. Așadar, pinguinii se strâng împreună, lipindu-se strâns unul de celăl alt. În interiorul mormanei, temperatura este apropiată de temperatura corpului pinguinilor (+37 ° C) chiar și în cele mai severe înghețuri. Cămilele fac același lucru - în centrul grupului temperatura este de aproximativ +39 °C, iar blana animalelor cele mai exterioare poate fi încălzită până la +70 °C.
Hibernarea este o strategie specială
Starea torpidă (stupoarea) sau hibernarea sunt strategii speciale ale animalelor cu sânge cald care permit utilizarea modificărilor temperaturii corpului în scopuri adaptative. În această stare, animalele încetează să mențină temperatura corpului și o reduc la aproape zero. Hibernarea se caracterizează printr-o scădere a ratei metabolice șiconsumul resurselor acumulate. Aceasta este o stare fiziologică bine reglată, când mecanismele de termoreglare trec la un nivel mai scăzut - ritmul cardiac scade (de exemplu, într-un cățin de la 450 la 35 de bătăi pe minut), consumul de oxigen scade de 20-100 de ori..
Trezirea necesită energie și are loc prin autoîncălzire, care nu trebuie confundată cu stupoarea animalelor cu sânge rece, unde este cauzată de scăderea temperaturii ambiante și este o stare nereglementată de organismul însuși (trezirea). apare sub influența factorilor externi).
Stupoarea este, de asemenea, o stare reglată, dar temperatura corpului scade cu doar câteva grade și însoțește adesea ritmurile circadiene. De exemplu, păsările colibri devin amorțite noaptea când temperatura corpului lor scade de la 40°C la 18°C. Există multe tranziții între toropeală și hibernare. Deci, deși numim somnul urșilor în hibernare de iarnă, de fapt, metabolismul lor scade ușor, iar temperatura corpului lor scade cu doar 3-6 ° C. În această stare, ursoaica naște pui.
De ce există puține organisme homoioterme în mediul acvatic
Printre hidrobionți (organismele care trăiesc în mediul acvatic) sunt puțini reprezentanți ai animalelor cu sânge cald. Balenele, delfinii, focile sunt animale acvatice secundare care s-au întors în mediul acvatic de pe uscat. Sângele cald este asociat în primul rând cu o creștere a proceselor metabolice, a căror bază este reacțiile de oxidare. Iar oxigenul joacă un rol major aici. Și, după cum știți, înîn mediul acvatic, conținutul de oxigen nu este mai mare de 1% în volum. Difuzia oxigenului în apă este de mii de ori mai mică decât în aer, ceea ce îl face și mai puțin disponibil. În plus, odată cu creșterea temperaturii și îmbogățirea apei cu compuși organici, conținutul de oxigen scade. Toate acestea fac ca existența unui număr mare de organisme cu sânge cald în mediul acvatic să fie nefavorabilă din punct de vedere energetic.
Pro și contra
Principalul avantaj al animalelor cu sânge cald față de cele cu sânge rece este disponibilitatea lor de a acționa indiferent de temperatura ambientală. Aceasta este o oportunitate de a rezista la temperaturile nocturne apropiate de îngheț și la dezvoltarea teritoriilor nordice ale pământului.
Principalul dezavantaj al sângelui cald este consumul mare de energie pentru a menține o temperatură constantă a corpului. Și principala sursă pentru aceasta este mâncarea. Un leu cu sânge cald are nevoie de zece ori mai multă hrană decât un crocodil cu sânge rece de aceeași greutate.
