Хомотермални организми. Топлокръвни животни. Поникотермични организми

Разнообразието на живота на нашата планета е поразително в своя мащаб. Последните проучвания на канадски учени дават цифра от 8,7 милиона вида животни, растения, гъби и микроорганизми, които обитават нашата планета. И описва от тях само около 20%, а това е 1,5 милиона известни на нас видове. Живите организми обитават всички екологични ниши на планетата. В биосферата няма място, където няма да има живот. В отворите на вулканите и на връх Еверест - навсякъде намираме живот в различните му прояви. И без съмнение такова разнообразие и разпръскване на природата се дължи на появата в процеса на еволюцията на явлението топлокръвно (хомоотермални организми).

Границата на живота е температурата

Основата на живота е метаболизмът на тялото, който зависи от скоростта и характера на хода на химическите процеси. И тези химични реакции са възможни само в определен температурен диапазон, с техните индекси и продължителност на експозицията. За по-голям брой организми граничните температури на околната температура варират от 0 до +50 градуса по Целзий.

Но това е спекулативно заключение. За да бъдем по-точни, за да се каже, че температурните граници на живота ще са тези, в които няма денатуриране на белтъците и необратими промени в колоидни характеристики на цитоплазмата на клетки, нарушена дейност на жизнено важни ензими. И много от организмите в процеса на еволюцията са придобили високо специализирани ензимни системи, които им позволяват да живеят в условия далеч отвъд тези граници.

Екологична класификация

Границите на оптималните температури в живота определят разделението на формите на живот на планетата в две групи - криофили и термофили. Първата група предпочита студа за цял живот и е специализирана за живот в такива условия. Повече от 80% от биосферата на планетата са студени райони със средна температура от +5 ° С. Това са дълбочините на океаните, пустините на Арктика и Антарктика, зоната на тундрата и планините. Повишената устойчивост на студ осигурява биохимична адаптация.

Ензимната система на криофилите ефективно понижава енергията на активиране на биологичните молекули и поддържа метаболизма в клетката при температура близка до 0 ° С. В същото време адаптациите вървят в две посоки - при придобиване на съпротива (конфронтация) или толерантност (съпротива) към студа. Екологичната група термофили са организми, оптимални за живота, които са райони с високи температури. Тяхната жизненоважна дейност се осигурява и от специализацията на биохимичните адаптации. Струва си да се отбележи, че със сложността на организацията на организма способността му за термофилия намалява.

Телесна температура

Балансът на топлината в живата система е съвкупността от нейното пристигане и разходи. От температурата на околната среда (екзогенна топлина) зависи от температурата на организма. В допълнение, ендогенната топлина - продукт на вътрешния метаболизъм (окислителни процеси и разцепване на аденозин трифосфат) - е незаменим атрибут на живота. Животовата активност на повечето видове на нашата планета зависи от екзогенната топлина и температурата на тялото им - в хода на температурата на околната среда. Тези poikilothermic организми (poikilos - различни), в които температурата на тялото е променлива.

Poikilotherms - всички микроорганизми, гъбички, растения, безгръбначни и повечето струни. И само две групи гръбначни - птици и бозайници - са хомеотермични организми (хомоио - подобни). Те поддържат постоянна температура на тялото си, независимо от температурата на околната среда. Те се наричат ​​и топлокръвни животни. Основната им разлика е наличието на мощен поток от вътрешна топлина и система от терморегулаторни механизми. Като следствие, при хомеотермичните организми, всички физиологични процеси се извършват при оптимални и постоянни температури.

Вярно и невярно

Някои пойкилотермични организми, като риба и бодлокожи, също имат постоянна телесна температура. Те живеят в условия на постоянни външни температури (океански дълбочини или пещери), където температурата на околната среда не се променя. Те се наричат ​​фалшиво хомеотермични организми. Много животни, които се характеризират с феномен на хибернация или временна ступор, имат променяща се телесна температура. Тези наистина хомеотермични организми (примери: мармоти, прилепи, таралежи, бълхи и други) се наричат ​​хетеротермални.

Скъпа аромфоза

Появата на хомеотермия в живите същества е изключително енергийно поглъщащо еволюционно придобиване. Учените продължават да спорят за възникването на тази прогресивна промяна в структурата, която доведе до повишаване на нивото на организация. Представени са много теории за възникването на топлокръвни организми. Някои изследователи признават, че тази функция би могла да има и динозаври. Но с всички несъгласия на учените едно е сигурно: появата на хомоитермични организми е биоенергетичен феномен. И усложнението на формите на живот е свързано с функционалното съвършенство на механизмите за трансфер на топлина.

Температурна компенсация

Способността на някои poikilothermic организми да поддържат постоянно ниво на метаболитни процеси в рамките на широк диапазон от промени в телесната температура се осигурява от биохимични устройства и се нарича температурна компенсация. Той се основава на способността на някои ензими да променят конфигурацията с намаляваща температура и да увеличават афинитета си към субстрата, като увеличават скоростта на реакциите. Например, консумация мидени Баренцово море миди кислород не зависи от температурата на околната среда, което варира в диапазона от 25 ° С (5-30 ° С).

Междинни формуляри

Еволюционните биолози са открили представители на преходни форми от poikilotherm до топлокръвно бозайници. Канадски биолози от Университета на Брок откриха сезонни топлокръви в аржентинския черно-бял етикет (Alvator merianae). Дългогодишният гущер живее в Южна Америка. Подобно на повечето влечуги, етикетът се нагрява през деня на слънце, а през нощта се крие в дупки и пещери, където се охлажда. Но през размножителния сезон от септември до октомври температурният маркер, честотата на дишане и ритъмът на сърдечния ритъм в сутрешните часове се увеличават драстично. Температурата на тялото на гущера може да надвиши температурата в пещерата с десет градуса. Това доказва преходността на формите от хладната кръв към домашните животни.

Механизми на терморегулация

Хомеотермалните организми винаги работят, за да осигурят функционирането на основните системи - циркулационни, респираторни, отделителни - чрез производството на минимално количество топлинна енергия. Този минимум, произведен в покой, се нарича основен метаболизъм. Преходът към активно състояние при топлокръвни животни увеличава производството на топлинна енергия и за да се предотврати денатурирането на протеини, те се нуждаят от механизми за увеличаване на трансфера на топлина.

Процесът на постигане на баланс между тези процеси се осигурява чрез химическа и физическа терморегулация. Тези механизми защитават хомоотермалните организми от ниски температури и прегряване. Механизмите за поддържане на постоянна телесна температура (химическа и физическа терморегулация) имат различни източници и са много разнообразни.

Химическа терморегулация

В отговор на понижаването на температурата на околната среда топлокръвните индивиди изпитват рефлекторно увеличение в производството на ендогенна топлина. Това се постига чрез засилване на окислителните процеси, особено в мускулните тъкани. Некоординираното свиване на мускулите (треперене) и терморегулационният тон са първите етапи на увеличаване на производството на топлина. В същото време липидният метаболизъм се увеличава и мастната тъкан се превръща в ключ за по-добра терморегулация. При бозайници със студен климат има дори кафява мазнина, цялата топлина, от окисляването на която отива към нагряване на тялото. Тази консумация на енергия изисква животно или консумация на голямо количество храна или значителни мастни запаси. С недостиг на тези ресурси химическата терморегулация има своите граници.

Механизми на физическата терморегулация

Този тип терморегулация не изисква допълнителни разходи за генериране на топлина, а се постига чрез запазване на ендогенната топлина. Извършва се чрез изпаряване (изпотяване), радиация (излъчване), топлинна проводимост (кондукция) и конвекция на кожата. Методите на физическа терморегулация се развиват в хода на еволюцията и стават все по-съвършени в изследването филогенетични серии от насекомоядни и прилепи към бозайници.

Примери за такова регулиране е стесняване или разширяване на кръвоносните капилярите на кожата, което променя топлопроводимост, топлоизолационни свойства на кожа и пера, противоток топлообмен между кръвоносните съдове и повърхностни съдове, вътрешните органи. Топлинният поток се регулира от наклона на космите на козината и перата, между които се задържа въздушен слой.

При морските бозайници, подкожната мастна тъкан се разпространява в цялото тяло, като защитава ендотепро. Например, в тюлени такава мастна чанта достига до 50% от общото тегло. Ето защо снегът не се стопи под тюлените, лежащи върху лед върху леда. За животните, живеещи в горещ климат, равномерното разпределение на мастния слой през цялата повърхност на тялото би било фатално. Ето защо, тяхната мазнина се натрупва само в определени части на тялото (гърба на камилата, курдукът в овцете), което не предотвратява изпарението от цялата повърхност на тялото. В допълнение, при животните в северния студен климат има специална мастна тъкан (кафява мазнина), която се използва изцяло за загряване на тялото.

По-близо на юг - повече уши и по-дълги крака

Различните части на тялото далеч не са еквивалентни по отношение на топлообмен. За да се поддържа топлообмен, съотношението на телесната повърхност и нейния обем е важно, тъй като количеството вътрешна топлина зависи от телесната маса и топлообменът преминава през капаците. Изпъкналите части на тялото имат голяма повърхност, която е добра за горещ климат, където топлокръвните животни се нуждаят от голямо излъчване на топлина. Например, големи уши с различни кръвоносни съдове, дълги крайници и опашка са характерни за жителите на горещ климат (слон, пантофи, Дългоуханна джербоа). При студено време адаптирането следва пътя на спестяване на площ до обема (ушите и опашката на тюлените).

Има друг закон за топлокръвните животни - колкото по-на север живеят представителите на една филогенетична група, толкова по-големи са те. И това също е свързано със съотношението на обема на изпаряващата повърхност и съответно топлинните загуби и масата на животното.

Етнология и топлообмен

Поведенческите характеристики също играят важна роля в процесите на топлообмен, както за poikilothermic, така и за домашнотермични животни. Това включва промени в позата, изграждане на приюти и различни миграции. Колкото по-голяма е дълбочината на дупката, толкова по-гладко е температурната тенденция. При средни географски ширини на дълбочина 1,5 метра сезонните температурни колебания са невидими.

За терморегулиране се използва и поведението на групата. Така че, пингвините са съборени заедно, плътно прилепнали един към друг. Вътре в купчината температурата е близка до температурата на тялото на пингвините (+ 37 ° C), дори при най-тежките студове. Камилите правят същото - в центъра на групата температурата е около +39 ° C, а вълната от екстремни животни може да бъде нагрята до +70 ° С.

Хибернацията е специална стратегия

Торпидното състояние (изтръпване) или хибернацията са специални стратегии за топлокръвни животни, позволяващи използването на промени в телесната температура за адаптивни цели. В това състояние животните прекратяват поддържането на телесната температура и я намаляват почти до нула. Хибернацията се характеризира с намаляване на нивото на метаболизма и потреблението на натрупаните ресурси. Той е добре контролирано физиологично състояние, когато терморегулаторни механизми са включени в по-малка степен - намаляване на сърдечния ритъм (например, у-Sony polchka от 450 до 35 удара в минута), консумацията на кислород се намалява до 20-100 пъти.

Пробуждане изисква разходи и енергия става чрез самостоятелно затопляне, което не трябва да се бърка с изтръпване студенокръвни животни, където причинява намаляване на температурата на околната среда и е регулиран от състоянието на тялото (събуждане възниква под влиянието на външни фактори).

Stupor също е регулируемо състояние, но температурата на тялото пада само няколко градуса и често придружава ежедневните ритми. Например, комедиите стават вцепенени през нощта, когато температурата на тялото им спадне от 40 ° C до 18 ° C. Има много преходи между скованост и хибернация. Така че, макар да наричаме съня на мечки, зимуващи през зимата, всъщност метаболизмът им леко намалява и температурата на тялото им спада само с 3-6 ° С. В това състояние мечките отглеждат мечки.

Защо във водната среда има малко хомеотермични организми

Сред хидробионите (организми, живеещи във водна среда) има малко представители на топлокръвни животни. Китовете, делфините, кожусите са вторични водни животни, които са се върнали във водната среда от земята. Топлината на кръвта се свързва предимно с повишаване на метаболитните процеси, на основата на които е окислителната реакция. А основната роля играе кислород. И както е известно, във водна среда съдържанието на кислород не е повече от 1% от обема. Дифузията на кислорода във водата е хиляди пъти по-малка, отколкото във въздуха, което го прави още по-малко достъпна. Освен това, при повишаване на температурата и обогатяване на водата с органични съединения, съдържанието на кислород намалява. Всичко това прави съществуването на голям брой топлокръвни организми във водната среда неефективни.

Плюсове и минуси

Основното предимство на топлокръвните преди хладнокръвните е готовността за действие, независимо от температурата на околната среда. Това е възможност да издържат на нощните температури, близо до замръзване и развитието на северните територии на земята.

Основният недостатък на топлокръвно е високата консумация на енергия за поддържане на постоянната температура на тялото. И основният източник за това е храната. Топлокръвен лъв храна се нуждае десет пъти повече от хладнокръвен крокодил със същото тегло.