Različitost života na našoj planeti je zapanjujuća po svojim razmjerima. Nedavna istraživanja kanadskih naučnika daju brojku od 8,7 miliona vrsta životinja, biljaka, gljiva i mikroorganizama koji naseljavaju našu planetu. Štaviše, opisano je samo oko 20% njih, a to je 1,5 miliona nama poznatih vrsta. Živi organizmi su naselili sve ekološke niše na planeti. Ne postoji mjesto u biosferi gdje ne bi bilo života. U otvorima vulkana i na vrhu Everesta - svuda nalazimo život u raznim manifestacijama. I, nesumnjivo, priroda duguje takvu raznolikost i rasprostranjenost pojavi u procesu evolucije fenomena toplokrvnosti (homeotermnih organizama).
Granica života je temperatura
Osnova života je tjelesni metabolizam, koji ovisi o brzini i prirodi kemijskih procesa. ALIove hemijske reakcije su moguće samo u određenom temperaturnom opsegu, sa sopstvenim indikatorima i trajanjem izlaganja. Za veći broj organizama graničnim indikatorima temperaturnog režima životne sredine smatraju se od 0 do +50 stepeni Celzijusa.
Ali ovo je spekulativan zaključak. Tačnije bi bilo reći da će temperaturne granice života biti one na kojima nema denaturacije proteina, kao i nepovratnih promjena koloidnih karakteristika citoplazme stanica, kršenja aktivnosti vitalnih enzima. Mnogi organizmi su razvili visoko specijalizovane enzimske sisteme koji su im omogućili da žive u uslovima koji su daleko iznad ovih granica.
Ekološka klasifikacija
Granice optimalnih životnih temperatura određuju podjelu životnih oblika na planeti u dvije grupe - kriofile i termofile. Prva grupa preferira hladnoću za život i specijalizovana je za život u takvim uslovima. Više od 80% biosfere planete su hladna područja sa prosječnom temperaturom od +5 °C. To su dubine okeana, pustinje Arktika i Antarktika, tundra i visoravni. Povećana otpornost na hladnoću je obezbeđena biohemijskim adaptacijama.
Enzimatski sistem kriofila efikasno snižava energiju aktivacije bioloških molekula i održava metabolizam u ćeliji na temperaturi blizu 0 °C. Istovremeno, adaptacije idu u dva smjera - u sticanju otpora (opozicije) ili tolerancije (otpornosti) na hladnoću. Ekološka grupa termofila su organizmi koji su optimalni začiji su životi područja visokih temperatura. Njihovu životnu aktivnost obezbjeđuje i specijalizacija biohemijskih adaptacija. Vrijedi napomenuti da se sa komplikacijom organizacije tijela smanjuje njegova sposobnost termofilije.
Tjelesna temperatura
Ravnoteža toplote u živom sistemu je ukupnost njenog priliva i odliva. Tjelesna temperatura organizama ovisi o temperaturi okoline (egzogena toplina). Osim toga, obavezan atribut života je endogena toplina - proizvod unutrašnjeg metabolizma (oksidativni procesi i razgradnja adenozin trifosforne kiseline). Vitalna aktivnost većine vrsta na našoj planeti ovisi o egzogenoj toplini, a njihova tjelesna temperatura ovisi o toku temperature okoline. To su poikilotermni organizmi (poikilos - razni), kod kojih je tjelesna temperatura varijabilna.
Poikiloterme su svi mikroorganizmi, gljive, biljke, beskičmenjaci i većina hordata. A samo dvije grupe kralježnjaka - ptice i sisari - su homoiotermni organizmi (homoios - slično). Održavaju konstantnu tjelesnu temperaturu, bez obzira na temperaturu okoline. Nazivaju se i toplokrvnim životinjama. Njihova glavna razlika je prisustvo snažnog protoka unutrašnje toplote i sistema termoregulacionih mehanizama. Kao rezultat toga, u homoiotermnim organizmima, svi fiziološki procesi se odvijaju na optimalnim i konstantnim temperaturama.
Tačno i netočno
Neke poikilotermeorganizmi kao što su ribe i bodljikaši također imaju stalnu tjelesnu temperaturu. Žive u uslovima konstantne spoljne temperature (dubine okeana ili pećine), gde se temperatura okoline ne menja. Zovu se lažno homoiotermni organizmi. Mnoge životinje koje doživljavaju hibernaciju ili privremenu tromost imaju promjenjive tjelesne temperature. Ovi istinski homoiotermni organizmi (primjeri: svizaci, slepi miševi, ježevi, žige i drugi) nazivaju se heterotermni.
Draga aromorfoza
Pojava homoiotermije u živim bićima je evoluciona akvizicija koja veoma troši energiju. Naučnici se još uvijek raspravljaju o porijeklu ove progresivne promjene u strukturi, koja je dovela do povećanja nivoa organizacije. Predložene su mnoge teorije o poreklu toplokrvnih organizama. Neki istraživači priznaju da bi čak i dinosaurusi mogli imati ovu osobinu. Ali uz sva neslaganja naučnika, jedno je sigurno: pojava homoiotermnih organizama je bioenergetski fenomen. A komplikacija životnih oblika povezana je sa funkcionalnim poboljšanjem mehanizama prenosa toplote.
Kompenzacija temperature
Sposobnost nekih poikilotermnih organizama da održavaju konstantan nivo metaboličkih procesa u širokom rasponu promjena tjelesne temperature obezbjeđena je biohemijskim adaptacijama i naziva se temperaturna kompenzacija. Zasnovan je na sposobnosti nekih enzima da mijenjaju svoju konfiguraciju sa smanjenjem temperature i povećavaju svoj afinitet sa supstratom, povećavajući brzinu reakcija. Na primjer, kod školjkašaU Barencovom moru potrošnja kiseonika ne zavisi od temperature okoline, koja se kreće od 25 °C (+5 do +30 °C).
Srednji oblici
Evolucioni biolozi su pronašli iste predstavnike prelaznih oblika od poikilotermnih do toplokrvnih sisara. Kanadski biolozi sa Univerziteta Brok otkrili su sezonsku toplokrvnost kod argentinskog crno-belog tegua (Alvator merianae). Ovaj gotovo metarski gušter živi u Južnoj Americi. Kao i većina gmizavaca, tegu se tokom dana kupa na suncu, a noću se skriva u jazbinama i pećinama, gde se hladi. Ali tokom sezone parenja od septembra do oktobra, temperatura tegua, brzina disanja i ritam srčanih kontrakcija ujutro naglo se povećavaju. Temperatura tijela guštera može premašiti temperaturu u pećini za deset stepeni. Ovo dokazuje prelazak oblika iz hladnokrvnih životinja u homoiotermne životinje.
Mehanizmi termoregulacije
Homiotermni organizmi uvijek rade kako bi osigurali rad glavnih sistema - cirkulatornog, respiratornog, ekskretornog - generiranjem minimalne proizvodnje topline. Ovaj minimum proizveden u mirovanju naziva se bazalni metabolizam. Prijelaz u aktivno stanje kod toplokrvnih životinja povećava proizvodnju topline i potrebni su im mehanizmi za povećanje prijenosa topline kako bi spriječili denaturaciju proteina.
Proces postizanja ravnoteže između ovih procesa je obezbeđen hemijskom i fizičkom termoregulacijom. Ovi mehanizmi obezbeđuju zaštitu homoiotermnih organizama od niskih temperatura ipregrijavanje. Mehanizmi za održavanje konstantne telesne temperature (hemijska i fizička termoregulacija) imaju različite izvore i veoma su raznoliki.
Hemijska termoregulacija
Kao odgovor na smanjenje temperature okoline, toplokrvne životinje refleksno povećavaju proizvodnju endogene toplote. To se postiže pojačavanjem oksidativnih procesa, posebno u mišićnim tkivima. Nekoordinirana mišićna kontrakcija (drhtanje) i termoregulacijski tonus su prve faze povećanja proizvodnje topline. Istovremeno se povećava metabolizam lipida, a masno tkivo postaje ključ za bolju termoregulaciju. Sisavci u hladnoj klimi imaju čak i smeđu masnoću, čija sva toplota od oksidacije ide na zagrijavanje tijela. Ova potrošnja energije zahtijeva od životinje ili da konzumira veliku količinu hrane ili da ima značajne rezerve masti. Sa nedostatkom ovih resursa, hemijska termoregulacija ima svoje granice.
Mehanizmi fizičke termoregulacije
Ova vrsta termoregulacije ne zahtijeva dodatne troškove za proizvodnju topline, već se provodi očuvanjem endogene topline. Obavlja se isparavanjem (znojenjem), zračenjem (zračenjem), provođenjem toplote (kondukcijom) i konvekcijom kože. Metode fizičke termoregulacije razvile su se tokom evolucije i postaju sve savršenije kada se proučava filogenetski niz od kukaca i slepih miševa do sisara.
Primjer takve regulacije je sužavanje ili proširenje krvnih kapilara kože, što se mijenjatoplinska provodljivost, toplinsko-izolacijska svojstva krzna i perja, protustrujna izmjena topline krvi između površinskih žila i sudova unutrašnjih organa. Rasipanje topline regulirano je nagibom dlake krzna i perja, između kojih se održava zračni jaz.
Kod morskih sisara, potkožna mast je raspoređena po cijelom tijelu, štiteći endo-toplinu. Na primjer, kod tuljana takva vrećica masti doseže do 50% ukupne težine. Zato se snijeg ne topi ispod tuljana koji satima leže na ledu. Za životinje koje žive u vrućim klimama, ravnomjerna raspodjela tjelesne masti po cijeloj površini tijela bila bi fatalna. Stoga se njihova mast nakuplja samo u određenim dijelovima tijela (grba kamile, masni rep ovce), što ne sprječava isparavanje sa cijele površine tijela. Osim toga, životinje sjeverne hladne klime imaju posebno masno tkivo (smeđu mast), koje se u potpunosti koristi za zagrijavanje tijela.
Južnije - veće uši i duže noge
Različiti dijelovi tijela su daleko od ekvivalentnih u smislu prijenosa topline. Za održavanje prijenosa topline važan je omjer površine tijela i njegovog volumena, jer volumen unutrašnje topline ovisi o masi tijela, a prijenos topline se odvija kroz integumente. Izbočeni dijelovi tijela imaju veliku površinu, što je dobro za vruće klime, gdje je toplokrvnim životinjama potreban veliki prijenos topline. Na primjer, velike uši s mnogo krvnih žila, dugi udovi i rep tipični su za stanovnike vruće klime (slon, lisica fenek, afričkidugouhi jerboa). U hladnim uslovima, adaptacija prati put uštede površine do zapremine (uši i rep tuljana).
Postoji još jedan zakon za toplokrvne životinje - što sjevernije žive predstavnici jedne filogenetske grupe, to su veći. A to je također povezano s omjerom volumena površine isparavanja, i, shodno tome, gubitka topline i mase životinje.
Etologija i prijenos topline
Obilježja ponašanja također igraju važnu ulogu u procesima prijenosa topline, kako za poikilotermne tako i za homeotermne životinje. To uključuje i promjene u držanju, i izgradnju skloništa i razne migracije. Što je dubina rupe veća, tok temperatura je blaži. Za srednje geografske širine, na dubini od 1,5 metara, sezonske fluktuacije temperature su neprimjetne.
Grupno ponašanje se takođe koristi za termoregulaciju. Dakle, pingvini se skupljaju, čvrsto se drže jedni za druge. Unutar gomile temperatura je bliska tjelesnoj temperaturi pingvina (+37 ° C) čak iu najjačim mrazevima. Kamile rade isto - u centru grupe temperatura je oko +39 °C, a krzno najudaljenijih životinja može se zagrijati do +70 °C.
Hibernacija je posebna strategija
Torpidno stanje (stupor) ili hibernacija su posebne strategije toplokrvnih životinja koje omogućavaju korištenje promjena tjelesne temperature u adaptivne svrhe. U tom stanju životinje prestaju održavati tjelesnu temperaturu i smanjuju je gotovo na nulu. Hibernaciju karakterizira smanjenje brzine metabolizma ipotrošnja akumuliranih resursa. Ovo je dobro regulisano fiziološko stanje, kada se termoregulacioni mehanizmi prebacuju na niži nivo - broj otkucaja srca se smanjuje (na primer, kod puha sa 450 na 35 otkucaja u minuti), potrošnja kiseonika se smanjuje za 20-100 puta.
Buđenje zahtijeva energiju i nastaje samozagrijavanjem, što ne treba brkati sa omamljenošću hladnokrvnih životinja, gdje je uzrokovano smanjenjem temperature okoline i stanje je neregulisano od samog tijela (buđenje nastaje pod uticajem spoljnih faktora).
Stupor je takođe regulisano stanje, ali telesna temperatura pada za samo nekoliko stepeni i često prati cirkadijalne ritmove. Na primjer, kolibri utrnu noću kada im tjelesna temperatura padne sa 40°C na 18°C. Postoji mnogo prijelaza između tromosti i hibernacije. Dakle, iako san medvjeda nazivamo zimskom hibernacijom, zapravo se njihov metabolizam blago smanjuje, a tjelesna temperatura pada za samo 3-6 °C. U tom stanju medvjedica rađa mladunčad.
Zašto ima malo homoiotermnih organizama u vodenoj sredini
Među hidrobiontima (organizmima koji žive u vodenoj sredini) malo je predstavnika toplokrvnih životinja. Kitovi, delfini, tuljani su sekundarne vodene životinje koje su se vratile u vodeno okruženje sa kopna. Toplokrvnost se prvenstveno povezuje s povećanjem metaboličkih procesa, čija su osnova oksidacijske reakcije. I kisik ovdje igra glavnu ulogu. I, kao što znate, unutrau vodenoj sredini sadržaj kiseonika nije veći od 1% zapremine. Difuzija kiseonika u vodi je hiljadama puta manja nego u vazduhu, što ga čini još manje dostupnim. Osim toga, s povećanjem temperature i obogaćivanjem vode organskim spojevima, smanjuje se sadržaj kisika. Sve to čini postojanje velikog broja toplokrvnih organizama u vodenoj sredini energetski nepovoljnim.
Za i protiv
Glavna prednost toplokrvnih životinja u odnosu na hladnokrvne je njihova spremnost da djeluju bez obzira na temperaturu okoline. Ovo je prilika da se izdrže noćne temperature blizu nule i razvoj sjevernih teritorija zemlje.
Glavni nedostatak toplokrvnosti je velika potrošnja energije za održavanje konstantne tjelesne temperature. A glavni izvor za to je hrana. Toplokrvnom lavu treba deset puta više hrane nego hladnokrvnom krokodilu iste težine.
