Mangfoldet av liv på planeten vår er slående i sin omfang. Nyere studier av kanadiske forskere gir et tall på 8,7 millioner arter av dyr, planter, sopp og mikroorganismer som bor på planeten vår. Dessuten er bare rundt 20% av dem beskrevet, og dette er 1,5 millioner arter kjent for oss. Levende organismer har befolket alle økologiske nisjer på planeten. Det er ikke noe sted i biosfæren hvor det ikke ville være liv. I vulkanenes ventiler og på toppen av Everest – over alt finner vi liv i dets ulike manifestasjoner. Og utvilsomt skylder naturen et slikt mangfold og distribusjon til utseendet i utviklingsprosessen av fenomenet varmblodighet (homeotermiske organismer).
Livets grense er temperatur
Livsgrunnlaget er kroppens metabolisme, som avhenger av hastigheten og naturen til kjemiske prosesser. MENdisse kjemiske reaksjonene er bare mulig i et visst temperaturområde, med egne indikatorer og varighet av eksponering. For et større antall organismer anses grenseindikatorene for miljøets temperaturregime å være fra 0 til +50 grader Celsius.
Men dette er en spekulativ konklusjon. Det ville være mer nøyaktig å si at livstemperaturgrensene vil være de der det ikke er noen denaturering av proteiner, så vel som irreversible endringer i de kolloidale egenskapene til cytoplasmaet til celler, et brudd på aktiviteten til vitale enzymer. Og mange organismer har utviklet høyt spesialiserte enzymsystemer som har tillatt dem å leve under forhold langt utenfor disse grensene.
Miljøklassifisering
Grensene for optimale livstemperaturer bestemmer inndelingen av livsformer på planeten i to grupper - kryofile og termofile. Den første gruppen foretrekker kulde for livet og er spesialisert for liv under slike forhold. Mer enn 80 % av planetens biosfære er kalde områder med en gjennomsnittstemperatur på +5 °C. Dette er dypet av havene, ørkenene i Arktis og Antarktis, tundraen og høylandet. Økt kuldebestandighet er gitt av biokjemiske tilpasninger.
Det enzymatiske systemet av kryofiler senker effektivt aktiveringsenergien til biologiske molekyler og opprettholder metabolismen i cellen ved en temperatur nær 0 °C. Samtidig går tilpasninger i to retninger - i tilegnelse av motstand (motstand) eller toleranse (motstand) mot kulde. Den økologiske gruppen termofile er organismer som er optimale forhvis liv er områder med høye temperaturer. Deres livsaktivitet er også gitt av spesialiseringen av biokjemiske tilpasninger. Det er verdt å nevne at med komplikasjonen av organiseringen av kroppen, reduseres evnen til termofili.
Kroppstemperatur
Varmebalansen i et levende system er helheten av dets inn- og utstrømning. Kroppstemperaturen til organismer avhenger av omgivelsestemperaturen (eksogen varme). I tillegg er en obligatorisk livsegenskap endogen varme - et produkt av intern metabolisme (oksidative prosesser og nedbrytning av adenosintrifosforsyre). Den vitale aktiviteten til de fleste arter på planeten vår avhenger av eksogen varme, og kroppstemperaturen deres avhenger av omgivelsestemperaturene. Dette er poikilotermiske organismer (poikilos - forskjellige), der kroppstemperaturen varierer.
Poikilotermer er alle mikroorganismer, sopp, planter, virvelløse dyr og de fleste kordater. Og bare to grupper av virveldyr - fugler og pattedyr - er homoioterme organismer (homoios - lignende). De opprettholder en konstant kroppstemperatur, uavhengig av omgivelsestemperaturen. De kalles også varmblodige dyr. Hovedforskjellen deres er tilstedeværelsen av en kraftig strøm av intern varme og et system med termoregulatoriske mekanismer. Som et resultat, i homoiotermiske organismer, utføres alle fysiologiske prosesser ved optimale og konstante temperaturer.
Sant og usant
Noen poikilotermerorganismer som fisk og pigghuder har også konstant kroppstemperatur. De lever under forhold med konstante ytre temperaturer (dypet av havet eller hulene), der omgivelsestemperaturen ikke endres. De kalles falskt homoioterme organismer. Mange dyr som opplever dvalemodus eller midlertidig svimmelhet har varierende kroppstemperaturer. Disse virkelig homoiotermiske organismene (eksempler: murmeldyr, flaggermus, pinnsvin, swifts og andre) kalles heterotermiske.
Kjære aromorfose
Utseendet til homoiotermi hos levende vesener er en svært energikrevende evolusjonær tilegnelse. Forskere krangler fortsatt om opprinnelsen til denne progressive endringen i strukturen, som førte til en økning i organisasjonsnivået. Mange teorier har blitt foreslått for opprinnelsen til varmblodige organismer. Noen forskere innrømmer at selv dinosaurer kan ha denne funksjonen. Men med alle uenighetene til forskere, er én ting sikkert: utseendet til homoiotermiske organismer er et bioenergetisk fenomen. Og komplikasjonen av livsformer er assosiert med funksjonell forbedring av varmeoverføringsmekanismer.
Temperaturkompensasjon
Evnen til enkelte poikilotermiske organismer til å opprettholde et konstant nivå av metabolske prosesser i et bredt spekter av endringer i kroppstemperatur, er gitt av biokjemiske tilpasninger og kalles temperaturkompensasjon. Den er basert på evnen til noen enzymer til å endre konfigurasjonen med synkende temperatur og øke deres affinitet med substratet, noe som øker reaksjonshastigheten. For eksempel i muslingerI Barentshavet er oksygenforbruket ikke avhengig av omgivelsestemperaturer, som varierer fra 25 °C (+5 til +30 °C).
Mellomskjemaer
Evolusjonsbiologer har funnet de samme representantene for overgangsformer fra poikilotermiske til varmblodige pattedyr. Kanadiske biologer fra Brock University har oppdaget sesongmessig varmblodighet i den argentinske svart-hvite teguen (Alvator merianae). Denne nesten meterøglen lever i Sør-Amerika. Som de fleste krypdyr, soler teguen seg i solen om dagen, og gjemmer seg i huler og huler om natten, hvor den avkjøles. Men i hekkesesongen fra september til oktober øker temperaturen på teguen, respirasjonsfrekvensen og rytmen til hjertesammentrekninger om morgenen kraftig. Kroppstemperaturen til en øgle kan overstige temperaturen i en hule med ti grader. Dette beviser overgangen til former fra kaldblodige dyr til homoiotermiske dyr.
Mekanismer for termoregulering
Homoiotermiske organismer jobber alltid for å sikre driften av hovedsystemene - sirkulasjons-, respirasjons-, ekskresjonsorganer - ved å generere et minimum av varmeproduksjon. Dette minimum produsert i hvile kalles basal metabolisme. Overgangen til aktiv tilstand hos varmblodige dyr øker varmeproduksjonen, og de trenger mekanismer for å øke varmeoverføringen for å hindre proteindenaturering.
Prosessen med å oppnå en balanse mellom disse prosessene er gitt av kjemisk og fysisk termoregulering. Disse mekanismene gir beskyttelse av homoiotermiske organismer fra lave temperaturer ogoveroppheting. Mekanismene for å opprettholde en konstant kroppstemperatur (kjemisk og fysisk termoregulering) har forskjellige kilder og er svært forskjellige.
Kjemisk termoregulering
Som svar på en nedgang i miljøtemperaturen, øker varmblodige dyr refleksivt produksjonen av endogen varme. Dette oppnås ved å øke oksidative prosesser, spesielt i muskelvev. Ukoordinert muskelkontraksjon (skjelving) og termoregulatorisk tonus er de første stadiene av økende varmeproduksjon. Samtidig øker lipidmetabolismen, og fettvev blir nøkkelen til bedre termoregulering. Pattedyr i et kaldt klima har til og med brunt fett, all varmen fra oksidasjonen går til å varme opp kroppen. Dette energiforbruket krever at dyret enten spiser store mengder mat eller har betydelige fettreserver. Med mangel på disse ressursene har kjemisk termoregulering sine begrensninger.
Mekanismer for fysisk termoregulering
Denne typen termoregulering krever ikke ekstra kostnader for varmeutvikling, men utføres ved å bevare endogen varme. Det utføres ved fordampning (svette), stråling (stråling), varmeledning (ledning) og konveksjon av huden. Metoder for fysisk termoregulering har utviklet seg i løpet av evolusjonen og blir mer og mer perfekte når man studerer den fylogenetiske serien fra insektetere og flaggermus til pattedyr.
Et eksempel på slik regulering er innsnevring eller utvidelse av blodkapillærene i huden, som endresvarmeledningsevne, varmeisolerende egenskaper til pels og fjær, motstrøms varmeveksling av blod mellom overfladiske kar og kar i indre organer. Varmespredning reguleres av skråningen til pelshår og fjær, mellom hvilke det opprettholdes en luftsp alte.
Hos sjøpattedyr blir subkutant fett fordelt i hele kroppen, og beskytter endo-varmen. For eksempel, i sel, når en slik fettpose opptil 50% av totalvekten. Derfor smelter ikke snøen under selene som ligger på isen i timevis. For dyr som lever i varmt klima vil en jevn fordeling av kroppsfett over hele kroppens overflate være dødelig. Derfor akkumuleres fettet deres bare i visse deler av kroppen (pukkelen til en kamel, fetthalen til en sau), noe som ikke forhindrer fordampning fra hele overflaten av kroppen. I tillegg har dyr i det nordlige kalde klimaet et spesielt fettvev (brunt fett), som brukes fullstendig til kroppsoppvarming.
Mer sør - større ører og lengre ben
Ulike deler av kroppen er langt fra like når det gjelder varmeoverføring. For å opprettholde varmeoverføringen er forholdet mellom kroppsoverflaten og volumet viktig, fordi volumet av indre varme avhenger av kroppens masse, og varmeoverføring skjer gjennom integumentene. De utstikkende delene av kroppen har en stor overflate, noe som er bra for varmt klima, hvor varmblodige dyr trenger mye varmeoverføring. For eksempel er store ører med mange blodårer, lange lemmer og en hale typiske for innbyggere i et varmt klima (elefant, fennec rev, afrikansklangøret jerboa). Under kalde forhold følger tilpasning banen for å spare areal til volum (ører og hale på sel).
Det er en annen lov for varmblodige dyr - jo lenger nord representanter for en fylogenetisk gruppe bor, jo større er de. Og dette henger også sammen med forholdet mellom volumet av fordampningsoverflaten, og følgelig varmetapet, og massen til dyret.
Etologi og varmeoverføring
Atferdsegenskaper spiller også en viktig rolle i varmeoverføringsprosesser, både for poikilotermiske og homeotermiske dyr. Dette inkluderer endringer i holdning, og bygging av tilfluktsrom, og ulike migrasjoner. Jo større dybden på hullet er, desto jevnere blir temperaturforløpet. For mellombreddegrader, på en dybde på 1,5 meter, er sesongmessige temperatursvingninger umerkelige.
Gruppeatferd brukes også til termoregulering. Så pingvinene klemmer seg sammen og klamrer seg tett til hverandre. Inne i haugen er temperaturen nær kroppstemperaturen til pingviner (+37 ° C) selv i de mest alvorlige frostene. Kameler gjør det samme - i midten av gruppen er temperaturen ca +39 °C, og pelsen til de ytterste dyrene kan varmes opp til +70 °C.
Dvalemodus er en spesiell strategi
Torpid tilstand (stupor) eller dvalemodus er spesielle strategier for varmblodige dyr som tillater bruk av endringer i kroppstemperatur for adaptive formål. I denne tilstanden slutter dyrene å opprettholde kroppstemperaturen og reduserer den til nesten null. Dvalemodus er preget av en nedgang i stoffskiftet ogforbruk av akkumulerte ressurser. Dette er en godt regulert fysiologisk tilstand, når termoregulatoriske mekanismer bytter til et lavere nivå - hjertefrekvensen synker (for eksempel i en dormus fra 450 til 35 slag per minutt), oksygenforbruket reduseres med 20-100 ganger.
Oppvåkning krever energi og skjer ved selvoppvarming, som ikke må forveksles med stupor av kaldblodige dyr, der den er forårsaket av en nedgang i omgivelsestemperaturen og er en tilstand uregulert av kroppen selv (oppvåkning) skjer under påvirkning av eksterne faktorer).
Stupor er også en regulert tilstand, men kroppstemperaturen synker bare med noen få grader og følger ofte med døgnrytmer. For eksempel blir kolibrier nummen om natten når kroppstemperaturen faller fra 40°C til 18°C. Det er mange overganger mellom torpor og dvalemodus. Så selv om vi kaller søvnen til bjørn i vinterdvale, reduseres faktisk stoffskiftet litt, og kroppstemperaturen faller med bare 3-6 ° C. Det er i denne tilstanden at bjørnen føder unger.
Hvorfor er det få homoioterme organismer i vannmiljøet
Blant hydrobionter (organismer som lever i vannmiljøet) er det få representanter for varmblodige dyr. Hvaler, delfiner, pelssel er sekundære vannlevende dyr som har returnert til vannmiljøet fra land. Varmblodighet er først og fremst assosiert med en økning i metabolske prosesser, hvis grunnlag er oksidasjonsreaksjoner. Og oksygen spiller en stor rolle her. Og, som du vet, ii vannmiljøet er oksygeninnholdet ikke høyere enn 1 volumprosent. Diffusjonen av oksygen i vann er tusenvis av ganger mindre enn i luft, noe som gjør det enda mindre tilgjengelig. I tillegg, med en økning i temperatur og berikelse av vann med organiske forbindelser, synker oksygeninnholdet. Alt dette gjør eksistensen av et stort antall varmblodige organismer i vannmiljøet energetisk ugunstig.
Fordeler og ulemper
Den største fordelen med varmblodige dyr fremfor kaldblodige er deres vilje til å handle uavhengig av omgivelsestemperaturen. Dette er en mulighet til å tåle nattetemperaturer nær frysepunktet, og utviklingen av de nordlige territoriene i landet.
Den største ulempen med varmblodighet er det høye energiforbruket for å opprettholde en konstant kroppstemperatur. Og hovedkilden til dette er mat. En varmblodig løve trenger ti ganger mer mat enn en kaldblodig krokodille med samme vekt.
