Mångfalden av liv på vår planet är slående i sin omfattning. Nyligen genomförda studier av kanadensiska forskare ger en siffra på 8,7 miljoner arter av djur, växter, svampar och mikroorganismer som bebor vår planet. Dessutom beskrivs endast cirka 20% av dem, och detta är 1,5 miljoner arter kända för oss. Levande organismer har befolkat alla ekologiska nischer på planeten. Det finns ingen plats i biosfären där det inte skulle finnas något liv. I vulkanernas öppningar och på toppen av Everest - överallt finner vi liv i dess olika manifestationer. Och, utan tvekan, naturen är skyldig sådan mångfald och distribution till uppkomsten i evolutionsprocessen av fenomenet varmblodighet (homeotermiska organismer).
Livets gräns är temperatur
Livets grund är kroppens ämnesomsättning, som beror på kemiska processers hastighet och karaktär. MENdessa kemiska reaktioner är möjliga endast i ett visst temperaturintervall, med sina egna indikatorer och exponeringstid. För ett större antal organismer anses gränsindikatorerna för miljöns temperaturregim vara från 0 till +50 grader Celsius.
Men detta är en spekulativ slutsats. Det skulle vara mer korrekt att säga att livstemperaturgränserna kommer att vara de där det inte finns någon denaturering av proteiner, såväl som irreversibla förändringar i de kolloidala egenskaperna hos cellernas cytoplasma, en kränkning av aktiviteten hos vitala enzymer. Och många organismer har utvecklat högspecialiserade enzymsystem som har gjort det möjligt för dem att leva under förhållanden långt bortom dessa gränser.
Miljöklassificering
Gränserna för optimala livstemperaturer bestämmer uppdelningen av livsformer på planeten i två grupper - kryofiler och termofiler. Den första gruppen föredrar kyla för livet och är specialiserad för livet under sådana förhållanden. Mer än 80 % av planetens biosfär är kalla regioner med en medeltemperatur på +5 °C. Dessa är havens djup, öknarna i Arktis och Antarktis, tundran och höglandet. Ökad köldbeständighet tillhandahålls av biokemiska anpassningar.
Det enzymatiska systemet av kryofiler sänker effektivt aktiveringsenergin för biologiska molekyler och upprätthåller metabolismen i cellen vid en temperatur nära 0 °C. Samtidigt går anpassningar i två riktningar - i förvärvet av motstånd (motstånd) eller tolerans (motstånd) mot kyla. Den ekologiska gruppen termofiler är organismer som är optimala förvars liv är områden med höga temperaturer. Deras livsaktivitet tillhandahålls också av specialiseringen av biokemiska anpassningar. Det är värt att nämna att med komplikationen av organiseringen av kroppen minskar dess förmåga att termofili.
Kroppstemperatur
Värmebalansen i ett levande system är helheten av dess in- och utflöde. Kroppstemperaturen hos organismer beror på omgivningstemperaturen (exogen värme). Dessutom är ett obligatoriskt livsattribut endogen värme - en produkt av intern metabolism (oxidativa processer och nedbrytning av adenosintrifosforsyra). Den vitala aktiviteten för de flesta arter på vår planet beror på exogen värme, och deras kroppstemperatur beror på omgivningstemperaturernas förlopp. Dessa är poikilotermiska organismer (poikilos - olika), i vilka kroppstemperaturen varierar.
Poikilotermer är alla mikroorganismer, svampar, växter, ryggradslösa djur och de flesta kordater. Och bara två grupper av ryggradsdjur - fåglar och däggdjur - är homoiotermiska organismer (homoios - liknande). De håller en konstant kroppstemperatur, oavsett omgivningstemperaturen. De kallas också varmblodiga djur. Deras huvudsakliga skillnad är närvaron av ett kraftfullt flöde av intern värme och ett system av termoregulatoriska mekanismer. Som ett resultat, i homoiotermiska organismer, utförs alla fysiologiska processer vid optimala och konstanta temperaturer.
Sant och falskt
Några poikilotermerorganismer som fiskar och tagghudingar har också en konstant kroppstemperatur. De lever under förhållanden med konstanta yttre temperaturer (djupet i havet eller grottorna), där den omgivande temperaturen inte förändras. De kallas falskt homoiotermiska organismer. Många djur som upplever vinterdvala eller tillfällig våda har fluktuerande kroppstemperaturer. Dessa verkligt homoiotermiska organismer (exempel: murmeldjur, fladdermöss, igelkottar, hassvalar och andra) kallas heterotermiska.
Dear aromorphosis
Uppseendet av homoiotermi hos levande varelser är ett mycket energikrävande evolutionärt förvärv. Forskare argumenterar fortfarande om ursprunget till denna progressiva strukturförändring, som ledde till en ökning av organisationsnivån. Många teorier har föreslagits för ursprunget till varmblodiga organismer. Vissa forskare medger att även dinosaurier kan ha denna egenskap. Men med alla forskarnas oenighet är en sak säker: uppkomsten av homoiotermiska organismer är ett bioenergetiskt fenomen. Och komplikationen av livsformer är förknippad med den funktionella förbättringen av värmeöverföringsmekanismer.
Temperaturkompensation
Förmågan hos vissa poikilotermiska organismer att upprätthålla en konstant nivå av metaboliska processer i ett brett spektrum av förändringar i kroppstemperaturen tillhandahålls av biokemiska anpassningar och kallas temperaturkompensation. Det är baserat på förmågan hos vissa enzymer att ändra sin konfiguration med sjunkande temperatur och öka sin affinitet med substratet, vilket ökar reaktionshastigheten. Till exempel hos musslorI Barents hav är syreförbrukningen inte beroende av omgivningstemperaturerna, som sträcker sig från 25 °C (+5 till +30 °C).
Mellanformer
Evolutionsbiologer har hittat samma representanter för övergångsformer från poikilotermiska till varmblodiga däggdjur. Kanadensiska biologer från Brock University har upptäckt säsongsbetonad varmblodighet i den argentinska svartvita tegu (Alvator merianae). Denna nästan meterödla lever i Sydamerika. Som de flesta reptiler solar sig tegu i solen under dagen och gömmer sig i hålor och grottor på natten, där den svalnar. Men under häckningssäsongen från september till oktober ökar temperaturen på tegu, andningsfrekvensen och rytmen av hjärtsammandragningar på morgonen kraftigt. Kroppstemperaturen hos en ödla kan överstiga temperaturen i en grotta med tio grader. Detta bevisar övergången av former från kallblodiga djur till homoiotermiska djur.
Mekanismer för termoreglering
Homoiotermiska organismer arbetar alltid för att säkerställa att huvudsystemen fungerar - cirkulations-, andnings-, utsöndringsorgan - genom att generera ett minimum av värmeproduktion. Detta minimum som produceras i vila kallas basalmetabolism. Övergången till det aktiva tillståndet hos varmblodiga djur ökar värmeproduktionen, och de behöver mekanismer för att öka värmeöverföringen för att förhindra proteindenaturering.
Processen för att uppnå en balans mellan dessa processer tillhandahålls av kemisk och fysikalisk termoreglering. Dessa mekanismer ger skydd av homoiotermiska organismer från låga temperaturer ochöverhettning. Mekanismerna för att upprätthålla en konstant kroppstemperatur (kemisk och fysisk termoreglering) har olika källor och är mycket olika.
Kemisk termoreglering
Som svar på en minskning av miljötemperaturen ökar varmblodiga djur reflexmässigt produktionen av endogen värme. Detta uppnås genom att öka oxidativa processer, särskilt i muskelvävnader. Okoordinerad muskelkontraktion (darrande) och termoregulatorisk tonus är de första stadierna av ökad värmeproduktion. Samtidigt ökar lipidmetabolismen, och fettvävnad blir nyckeln till bättre termoreglering. Däggdjur i ett kallt klimat har till och med brunt fett, all värme från vars oxidation går till att värma upp kroppen. Denna energiförbrukning kräver att djuret antingen konsumerar en stor mängd mat eller har betydande fettreserver. Med brist på dessa resurser har kemisk termoreglering sina gränser.
Mekanismer för fysisk termoreglering
Denna typ av termoreglering kräver inga extra kostnader för värmealstring, utan utförs genom att bevara endogen värme. Det utförs genom avdunstning (svettning), strålning (strålning), värmeledning (ledning) och konvektion av huden. Metoder för fysisk termoreglering har utvecklats under evolutionens gång och blir mer och mer perfekta när man studerar den fylogenetiska serien från insektsätare och fladdermöss till däggdjur.
Ett exempel på sådan reglering är förträngning eller expansion av hudens blodkapillärer, som förändrasvärmeledningsförmåga, värmeisolerande egenskaper hos päls och fjädrar, motströms värmeutbyte av blod mellan ytliga kärl och kärl i inre organ. Värmeavledning regleras av pälshårens och fjädrarnas lutning, mellan vilka en luftsp alt upprätthålls.
Hos marina däggdjur fördelas subkutant fett i hela kroppen, vilket skyddar endo-värmen. Till exempel i sälar når en sådan fettpåse upp till 50% av den totala vikten. Det är därför snön inte smälter under sälarna som ligger på isen i timmar. För djur som lever i varma klimat skulle en jämn fördelning av kroppsfett över hela kroppens yta vara dödlig. Därför ackumuleras deras fett endast i vissa delar av kroppen (kamelens puckel, ett fårs feta svans), vilket inte förhindrar avdunstning från hela kroppens yta. Dessutom har djur i det nordliga kalla klimatet en speciell fettvävnad (brunt fett), som helt och hållet används för kroppsuppvärmning.
Mer söderut - större öron och längre ben
Olika delar av kroppen är långt ifrån likvärdiga när det gäller värmeöverföring. För att upprätthålla värmeöverföringen är förhållandet mellan kroppsytan och dess volym viktigt, eftersom volymen av inre värme beror på kroppens massa och värmeöverföring sker genom integumenten. De utskjutande delarna av kroppen har en stor yta, vilket är bra för varma klimat, där varmblodiga djur behöver mycket värmeöverföring. Till exempel är stora öron med många blodkärl, långa lemmar och en svans typiska för invånare i ett varmt klimat (elefant, fennec räv, afrikansklångörad jerboa). Under kalla förhållanden följer anpassningen vägen för att spara yta till volym (öron och svans på sälar).
Det finns en annan lag för varmblodiga djur - ju längre norrut representanter för en fylogenetisk grupp bor, desto större är de. Och detta är också kopplat till förhållandet mellan volymen på förångningsytan och följaktligen värmeförlusten och djurets massa.
Etologi och värmeöverföring
Beteendeegenskaper spelar också en viktig roll i värmeöverföringsprocesser, både för poikilotermiska och homeotermiska djur. Detta inkluderar förändringar i hållning, och byggande av skyddsrum och olika migrationer. Ju större djup hålet är, desto jämnare blir temperaturförloppet. För medelbreddgrader, på ett djup av 1,5 meter, är säsongsbetonade temperaturfluktuationer omärkliga.
Gruppbeteende används också för termoreglering. Så pingvinerna kurar ihop sig och klamrar sig fast vid varandra. Inne i högen är temperaturen nära pingvinernas kroppstemperatur (+37 ° C) även i de svåraste frostarna. Kameler gör detsamma - i mitten av gruppen är temperaturen cirka +39 °C, och pälsen på de yttersta djuren kan värmas upp till +70 °C.
Hibernation är en speciell strategi
Torpid state (stupor) eller hibernation är speciella strategier för varmblodiga djur som tillåter användning av förändringar i kroppstemperatur i adaptiva syften. I detta tillstånd slutar djuren att upprätthålla kroppstemperaturen och minskar den till nästan noll. Hibernation kännetecknas av en minskning av ämnesomsättningen ochförbrukning av ackumulerade resurser. Detta är ett välreglerat fysiologiskt tillstånd, när termoregulatoriska mekanismer växlar till en lägre nivå - hjärtfrekvensen minskar (till exempel i en sovmus från 450 till 35 slag per minut), minskar syreförbrukningen med 20-100 gånger.
Avvaknande kräver energi och sker genom självuppvärmning, vilket inte bör förväxlas med kallblodiga djurs dvala, där det orsakas av en sänkning av omgivningstemperaturen och är ett tillstånd oreglerat av kroppen själv (uppvaknande) sker under påverkan av yttre faktorer).
Stupor är också ett reglerat tillstånd, men kroppstemperaturen sjunker med bara några grader och följer ofta dygnsrytmer. Till exempel blir kolibrier bedövade på natten när deras kroppstemperatur sjunker från 40°C till 18°C. Det finns många övergångar mellan torpor och viloläge. Så även om vi kallar björnsömn i vinterdvala, minskar faktiskt deras ämnesomsättning något och deras kroppstemperatur sjunker med endast 3-6 ° C. Det är i detta tillstånd som björnen föder ungar.
Varför finns det få homoiotermiska organismer i vattenmiljön
Bland hydrobionts (organismer som lever i vattenmiljön) finns det få representanter för varmblodiga djur. Valar, delfiner, pälssälar är sekundära vattenlevande djur som har återvänt till vattenmiljön från land. Varmblodighet är främst förknippad med en ökning av metaboliska processer, vars grund är oxidationsreaktioner. Och syre spelar en stor roll här. Och, som ni vet, ini vattenmiljön är syreh alten inte högre än 1 volymprocent. Diffusionen av syre i vatten är tusentals gånger mindre än i luft, vilket gör det ännu mindre tillgängligt. Dessutom, med en ökning av temperaturen och anrikning av vatten med organiska föreningar, minskar syreh alten. Allt detta gör förekomsten av ett stort antal varmblodiga organismer i vattenmiljön energimässigt ogynnsam.
För- och nackdelar
Den största fördelen med varmblodiga djur framför kallblodiga är deras vilja att agera oavsett omgivningstemperaturen. Detta är en möjlighet att motstå natttemperaturer nära fryspunkten och utvecklingen av landets norra territorier.
Den största nackdelen med varmblodighet är den höga energiförbrukningen för att hålla en konstant kroppstemperatur. Och huvudkällan för detta är mat. Ett varmblodigt lejon behöver tio gånger mer mat än en kallblodig krokodil med samma vikt.
