Različitost života na našem planetu zapanjujuća je svojim razmjerima. Nedavna istraživanja kanadskih znanstvenika daju brojku od 8,7 milijuna vrsta životinja, biljaka, gljiva i mikroorganizama koji nastanjuju naš planet. Štoviše, opisano je samo oko 20% njih, a to je 1,5 milijuna poznatih vrsta. Živi organizmi su naselili sve ekološke niše na planeti. U biosferi nema mjesta gdje ne bi bilo života. U otvorima vulkana i na vrhu Everesta - posvuda nalazimo život u raznim manifestacijama. A, nedvojbeno, 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. ALIte su kemijske reakcije moguće samo u određenom temperaturnom rasponu, s vlastitim pokazateljima i trajanjem izlaganja. Za veći broj organizama graničnim pokazateljima temperaturnog režima okoliša smatraju se od 0 do +50 stupnjeva Celzija.
Ali ovo je spekulativan zaključak. Točnije bi bilo reći da će temperaturne granice života biti one pri kojima nema denaturacije proteina, kao i nepovratnih promjena koloidnih karakteristika citoplazme stanica, kršenja aktivnosti vitalnih enzima. Mnogi su organizmi razvili visoko specijalizirane enzimske sustave koji su im omogućili da žive u uvjetima daleko iznad ovih granica.
Ekološka klasifikacija
Granice optimalnih životnih temperatura određuju podjelu oblika života na planetu u dvije skupine - kriofile i termofile. Prva skupina preferira hladnoću za život i specijalizirana je za život u takvim uvjetima. Više od 80% biosfere planeta su hladna područja s prosječnom temperaturom od +5 °C. To su dubine oceana, pustinje Arktika i Antarktika, tundra i visoravni. Povećanu otpornost na hladnoću osiguravaju biokemijske prilagodbe.
Enzimatski sustav kriofila učinkovito snižava energiju aktivacije bioloških molekula i održava metabolizam u stanici na temperaturi blizu 0 °C. Pri tome prilagodbe idu u dva smjera – u stjecanju otpora (suprotstavljanja) ili tolerancije (otpornosti) na hladnoću. Ekološka skupina termofila su organizmi koji su optimalni začiji su životi područja visokih temperatura. Njihovu životnu aktivnost osigurava i specijalizacija biokemijskih prilagodbi. Vrijedi spomenuti da se s komplikacijama organizacije tijela smanjuje njegova sposobnost termofilije.
Tjelesna temperatura
Ravnoteža topline u živom sustavu je ukupnost njezina dotoka i odljeva. Tjelesna temperatura organizama ovisi o temperaturi okoline (egzogena toplina). Osim toga, obvezni atribut života je endogena toplina - proizvod unutarnjeg metabolizma (oksidativni procesi i razgradnja adenozin trifosforne kiseline). Vitalna aktivnost većine vrsta na našem planetu ovisi o egzogenoj toplini, a njihova tjelesna temperatura ovisi o tijeku temperatura okoline. To su poikilotermni organizmi (poikilos - razni), kod kojih je tjelesna temperatura varijabilna.
Poikiloterme su svi mikroorganizmi, gljive, biljke, beskralješnjaci i većina hordata. I samo dvije skupine kralježnjaka - ptice i sisavci - homoiotermni su organizmi (homoios - slično). Održavaju stalnu tjelesnu temperaturu, bez obzira na temperaturu okoline. Nazivaju se i toplokrvnim životinjama. Njihova glavna razlika je prisutnost snažnog protoka unutarnje topline i sustava termoregulacijskih mehanizama. Kao rezultat toga, u homoiotermnim organizmima svi se fiziološki procesi odvijaju na optimalnim i konstantnim temperaturama.
Točno i netočno
Neke poikilotermeorganizmi kao što su ribe i bodljikaši također imaju stalnu tjelesnu temperaturu. Žive u uvjetima stalnih vanjskih temperatura (dubine oceana ili špilje), gdje se temperatura okoline ne mijenja. Zovu se lažno homoiotermni organizmi. Mnoge životinje koje doživljavaju hibernaciju ili privremenu omamljenost imaju promjenjive tjelesne temperature. Ovi istinski homoiotermni organizmi (primjeri: svizaci, šišmiši, ježevi, žige i drugi) nazivaju se heterotermni.
Draga aromorfoza
Pojava homoiotermije u živim bićima je evolucijska akvizicija koja zahtijeva veliku potrošnju energije. Znanstvenici se još uvijek raspravljaju o podrijetlu ove progresivne promjene u strukturi, koja je dovela do povećanja razine organizacije. Predložene su mnoge teorije o podrijetlu toplokrvnih organizama. Neki istraživači priznaju da bi čak i dinosauri mogli imati ovu značajku. Ali uz sva neslaganja znanstvenika, jedno je sigurno: pojava homoiotermnih organizama bioenergetski je fenomen. A komplikacija oblika života povezana je s funkcionalnim poboljšanjem mehanizama prijenosa topline.
Kompenzacija temperature
Sposobnost nekih poikilotermnih organizama da održavaju konstantnu razinu metaboličkih procesa u širokom rasponu promjena tjelesne temperature osiguravaju biokemijske prilagodbe i naziva se temperaturna kompenzacija. Temelji se na sposobnosti nekih enzima da mijenjaju svoju konfiguraciju sa smanjenjem temperature i povećavaju svoj afinitet sa supstratom, povećavajući brzinu reakcija. Na primjer, u školjkama školjkamaU Barentsovom moru potrošnja kisika ne ovisi o temperaturi okoline, koja se kreće od 25 °C (+5 do +30 °C).
Srednji obrasci
Evolucijski biolozi pronašli su iste predstavnike prijelaznih oblika od poikilotermnih do toplokrvnih sisavaca. Kanadski biolozi sa Sveučilišta Brock otkrili su sezonsku toplokrvnost u argentinskom crno-bijelom tegu (Alvator merianae). Ovaj gotovo metarski gušter živi u Južnoj Americi. Poput većine gmazova, tegu se danju sunča, a noću se skriva u jazbinama i špiljama gdje se hladi. No, tijekom sezone razmnožavanja od rujna do listopada, temperatura tegua, brzina disanja i ritam srčanih kontrakcija ujutro naglo se povećavaju. Tjelesna temperatura guštera može premašiti temperaturu u špilji za deset stupnjeva. To dokazuje prijelaz oblika s hladnokrvnih životinja na homoiotermne životinje.
Mehanizmi termoregulacije
Homiotermni organizmi uvijek rade kako bi osigurali rad glavnih sustava - cirkulacijskog, dišnog, izlučnog - generirajući minimalnu proizvodnju topline. Taj 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 osiguran je kemijskom i fizičkom termoregulacijom. Ovi mehanizmi osiguravaju zaštitu homoiotermnih organizama od niskih temperatura ipregrijavanje. Mehanizmi za održavanje stalne tjelesne temperature (kemijska i fizička termoregulacija) imaju različite izvore i vrlo su raznoliki.
Kemijska termoregulacija
Kao odgovor na smanjenje temperature okoliša, toplokrvne životinje refleksno povećavaju proizvodnju endogene topline. To se postiže pojačavanjem oksidativnih procesa, posebice u mišićnim tkivima. Nekoordinirana mišićna kontrakcija (drhtanje) i termoregulacijski tonus prve su faze povećanja proizvodnje topline. Istodobno se povećava metabolizam lipida, a masno tkivo postaje ključ za bolju termoregulaciju. Sisavci u hladnoj klimi imaju čak i smeđu masnoću čija sva toplina od oksidacije ide na zagrijavanje tijela. Ova potrošnja energije zahtijeva od životinje ili da konzumira veliku količinu hrane ili da ima znatne rezerve masti. S nedostatkom ovih resursa, kemijska 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 topline (kondukcijom) i konvekcijom kože. Metode fizičke termoregulacije razvile su se tijekom evolucije i postaju sve savršenije proučavanjem filogenetskog niza od kukaca i šišmiša do sisavaca.
Primjer takve regulacije je sužavanje ili širenje krvnih kapilara kože, što se mijenjatoplinska vodljivost, toplinska izolacijska svojstva krzna i perja, protustrujna izmjena topline krvi između površinskih žila i žila unutarnjih organa. Odvođenje topline regulirano je nagibom dlake krzna i perja, između kojih se održava zračni jaz.
Kod morskih sisavaca, 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 kobna. Stoga se njihova mast nakuplja samo na određenim dijelovima tijela (grba deve, masni rep ovce), što ne sprječava isparavanje s cijele površine tijela. Osim toga, životinje sjeverne hladne klime imaju posebno masno tkivo (smeđa mast), koje se u potpunosti koristi za zagrijavanje tijela.
Južnije - veće uši i duže noge
Različiti dijelovi tijela daleko su od ekvivalenta u smislu prijenosa topline. Za održavanje prijenosa topline važan je omjer površine tijela i njegovog volumena, jer volumen unutarnje topline ovisi o masi tijela, a prijenos topline se odvija preko kože. 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 fennec, afričkadugouhi jerboa). U hladnim uvjetima, prilagodba slijedi put uštede područja na volumen (uši i rep tuljana).
Postoji još jedan zakon za toplokrvne životinje - što sjevernije žive predstavnici jedne filogenetske skupine, to su veći. A to je također povezano s omjerom volumena površine isparavanja i, sukladno 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, te razne migracije. Što je dubina rupe veća, tijek temperatura je glatkiji. Za srednje geografske širine, na dubini od 1,5 metara, sezonske fluktuacije temperature su neprimjetne.
Grupno ponašanje se također koristi za termoregulaciju. Dakle, pingvini se skupljaju, čvrsto se drže jedni za druge. Unutar hrpe, temperatura je blizu tjelesnoj temperaturi pingvina (+37 ° C) čak iu najtežim mrazima. Deve rade isto - u središtu skupine temperatura je oko +39 °C, a krzno najudaljenijih životinja može se zagrijati do +70 °C.
Hibernacija je posebna strategija
Torpidno stanje (stupor) ili hibernacija posebne su strategije toplokrvnih životinja koje omogućuju korištenje promjena tjelesne temperature u adaptivne svrhe. U tom stanju životinje prestaju održavati tjelesnu temperaturu i smanjuju je na gotovo nulu. Hibernaciju karakterizira smanjenje brzine metabolizma ipotrošnja akumuliranih resursa. Ovo je dobro regulirano fiziološko stanje, kada se termoregulacijski mehanizmi prebacuju na nižu razinu - broj otkucaja srca se smanjuje (na primjer, kod puha s 450 na 35 otkucaja u minuti), potrošnja kisika se smanjuje za 20-100 puta.
Buđenje zahtijeva energiju i događa se samozagrijavanjem, što se ne smije brkati s omamljenošću hladnokrvnih životinja, gdje je uzrokovano smanjenjem temperature okoline i stanje je neregulirano od strane samog tijela (buđenje nastaje pod utjecajem vanjskih čimbenika).
Stupor je također regulirano stanje, ali tjelesna temperatura pada za samo nekoliko stupnjeva i često prati cirkadijalne ritmove. Na primjer, kolibri noću utrne kada im tjelesna temperatura padne sa 40°C na 18°C. Postoji mnogo prijelaza između tromosti i hibernacije. Dakle, iako spavanje 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 postoji malo homoiotermnih organizama u vodenom okolišu
Među hidrobiontima (organizmima koji žive u vodenom okolišu) malo je predstavnika toplokrvnih životinja. Kitovi, dupini, tuljani su sekundarne vodene životinje koje su se vratile u vodeni okoliš s kopna. Toplokrvnost je povezana prvenstveno s povećanjem metaboličkih procesa, čija su osnova oksidacijske reakcije. I kisik ovdje igra glavnu ulogu. I, kao što znate, uu vodenom okolišu sadržaj kisika nije veći od 1% volumena. Difuzija kisika u vodi je tisućama puta manja nego u zraku, što ga čini još manje dostupnim. Osim toga, s povećanjem temperature i obogaćivanjem vode organskim spojevima, sadržaj kisika se smanjuje. Sve to čini postojanje velikog broja toplokrvnih organizama u vodenom okolišu 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 bliske smrzavanju, te razvoj sjevernih teritorija zemlje.
Glavni nedostatak toplokrvnosti je velika potrošnja energije za održavanje stalne tjelesne temperature. A glavni izvor za to je hrana. Toplokrvnom lavu treba deset puta više hrane od hladnokrvnog krokodila iste težine.
