Bolygónk életének sokfélesége szembeötlő a méretét tekintve. Kanadai tudósok legújabb tanulmányai szerint 8,7 millió állat-, növény-, gomba- és mikroorganizmusfaj él bolygónkon. Sőt, ezeknek csak körülbelül 20%-a van leírva, ez pedig 1,5 millió általunk ismert faj. Az élő szervezetek benépesítették a bolygó összes ökológiai rését. A bioszférán belül nincs olyan hely, ahol ne lenne élet. A vulkánok nyílásaiban és az Everest csúcsán - mindenhol megtaláljuk az életet annak különféle megnyilvánulásaiban. A természet pedig kétségtelenül a melegvérűség jelenségének (homeotermikus organizmusok) megjelenésének köszönheti ezt a sokféleséget és elterjedtségét.
Az élet határa a hőmérséklet
Az élet alapja a szervezet anyagcseréje, amely a kémiai folyamatok sebességétől és természetétől függ. DEezek a kémiai reakciók csak egy bizonyos hőmérsékleti tartományban, saját mutatóikkal és az expozíció időtartamával lehetségesek. Nagyobb számú organizmus esetén a környezet hőmérsékleti viszonyának határmutatói 0 és +50 Celsius-fok között vannak.
De ez egy spekulatív következtetés. Helyesebb lenne azt mondani, hogy az élet hőmérsékleti korlátai azok, amelyeknél nem történik meg a fehérjék denaturációja, valamint a sejtek citoplazmájának kolloid jellemzőiben bekövetkező visszafordíthatatlan változások, a létfontosságú enzimek aktivitásának megsértése. És sok élőlény nagyon speciális enzimrendszert fejlesztett ki, amely lehetővé tette számukra, hogy olyan körülmények között éljenek, amelyek messze meghaladják ezeket a határokat.
Környezetvédelmi osztályozás
Az optimális élethőmérséklet határai meghatározzák a bolygó életformáinak két csoportra – kriofilekre és termofilekre – felosztását. Az első csoport az élethosszig tartó hideget részesíti előnyben, és az ilyen körülmények közötti életre specializálódott. A bolygó bioszférájának több mint 80%-a +5 °C átlaghőmérsékletű hideg régió. Ezek az óceánok mélységei, az Északi-sarkvidék és az Antarktisz sivatagai, a tundra és a hegyvidék. A fokozott hidegállóságot a biokémiai adaptációk biztosítják.
A kriofilek enzimrendszere hatékonyan csökkenti a biológiai molekulák aktiválási energiáját, és 0 °C-hoz közeli hőmérsékleten tartja fenn az anyagcserét a sejtben. Ugyanakkor az alkalmazkodás két irányba halad - a hideggel szembeni ellenállás (ellenállás) vagy tolerancia (ellenállás) megszerzésében. A termofil ökológiai csoport olyan organizmusok, amelyek számára optimálisakiknek élete magas hőmérsékletű területek. Élettevékenységüket a biokémiai adaptációk specializációja is biztosítja. Érdemes megemlíteni, hogy a szervezet felépítésének bonyodalmaival csökken a hőfília képessége.
Testhőmérséklet
Egy élő rendszerben a hő egyensúlya a be- és kiáramlás összessége. Az élőlények testhőmérséklete a környezeti hőmérséklettől (exogén hő) függ. Ezenkívül az élet kötelező tulajdonsága az endogén hő - a belső anyagcsere terméke (oxidatív folyamatok és az adenozin-trifoszforsav lebomlása). Bolygónkon a legtöbb faj élettevékenysége az exogén hőtől, testhőmérsékletük pedig a környezeti hőmérséklet alakulásától függ. Ezek poikiloterm organizmusok (poikilos - különféle), amelyekben a testhőmérséklet változó.
A poikilotermák mind mikroorganizmusok, gombák, növények, gerinctelenek és a legtöbb chordátum. És csak két gerinces csoport - madarak és emlősök - homoioterm organizmus (homoios - hasonló). Állandó testhőmérsékletet tartanak fenn, függetlenül a környezeti hőmérséklettől. Melegvérű állatoknak is nevezik őket. Fő különbségük az erőteljes belső hőáramlás és a hőszabályozó mechanizmusok rendszere. Ennek eredményeként a homoioterm organizmusokban minden élettani folyamat optimális és állandó hőmérsékleten megy végbe.
Igaz és hamis
Néhány poikilotermaaz olyan élőlények, mint a halak és a tüskésbőrűek is állandó testhőmérsékletűek. Állandó külső hőmérsékletű körülmények között élnek (az óceán vagy a barlangok mélyén), ahol a környezeti hőmérséklet nem változik. Ezeket hamis homoioterm organizmusoknak nevezik. Sok olyan állat testhőmérséklete ingadozik, amelyek hibernálnak vagy átmenetileg toporognak. Ezeket a valóban homoioterm organizmusokat (például mormoták, denevérek, sündisznók, swiftek és mások) heterotermikusnak nevezik.
Kedves aromorfózis
A homoiotermia élőlényekben való megjelenése nagyon energiaigényes evolúciós folyamat. A tudósok még mindig vitatkoznak a struktúra e fokozatos változásának eredetéről, amely a szervezettség szintjének növekedéséhez vezetett. Számos elméletet javasoltak a melegvérű szervezetek eredetére vonatkozóan. Egyes kutatók elismerik, hogy még a dinoszauruszok is rendelkezhetnek ezzel a tulajdonsággal. De a tudósok minden nézeteltérése ellenére egy dolog biztos: a homoioterm organizmusok megjelenése bioenergetikai jelenség. Az életformák szövődménye pedig a hőátadó mechanizmusok funkcionális javulásával jár.
Hőmérséklet kompenzáció
Egyes poikiloterm organizmusok azon képességét, hogy állandó szinten tartsák az anyagcsere-folyamatokat a testhőmérséklet változásainak széles tartományában, biokémiai adaptációk biztosítják, és ezt hőmérséklet-kompenzációnak nevezik. Egyes enzimek azon képességén alapul, hogy a hőmérséklet csökkenésével megváltoztatják konfigurációjukat, és növelik affinitásukat a szubsztráttal, növelve a reakciók sebességét. Például a kéthéjú kagylóbanA Barents-tengerben az oxigénfogyasztás nem függ a környezeti hőmérséklettől, amely 25 °C (+5 és +30 °C) között mozog.
Köztes űrlapok
Az evolúcióbiológusok megtalálták a poikilotermiától a melegvérű emlősökig terjedő átmeneti formák ugyanazokat a képviselőit. A Brock Egyetem kanadai biológusai szezonális melegvérűséget fedeztek fel az argentin fekete-fehér tegu (Alvator merianae) területén. Ez a csaknem méteres gyík Dél-Amerikában él. A legtöbb hüllőhöz hasonlóan a tegu napközben sütkérez, éjszaka pedig üregekbe és barlangokba bújik, ahol lehűl. De a szeptembertől októberig tartó tenyészidőszakban a tegu hőmérséklete, a légzésszám és a reggeli szívösszehúzódások ritmusa meredeken megemelkedik. A gyík testhőmérséklete tíz fokkal meghaladhatja a barlang hőmérsékletét. Ez bizonyítja a formák átmenetét a hidegvérű állatokról a homoioterm állatokra.
A hőszabályozás mechanizmusai
A homoioterm organizmusok mindig azon dolgoznak, hogy biztosítsák a fő rendszerek - keringési, légzőrendszeri, kiválasztó - működését minimális hőtermelés generálásával. Ezt a nyugalmi állapotban termelődő minimumot alapanyagcserének nevezik. A melegvérű állatoknál az aktív állapotba való átmenet növeli a hőtermelést, és olyan mechanizmusokra van szükségük, amelyek fokozzák a hőátadást, hogy megakadályozzák a fehérje denaturációját.
A folyamatok közötti egyensúly elérésének folyamatát a kémiai és fizikai hőszabályozás biztosítja. Ezek a mechanizmusok védelmet nyújtanak a homoioterm organizmusoknak az alacsony hőmérsékletekkel éstúlmelegedés. Az állandó testhőmérséklet fenntartásának mechanizmusai (kémiai és fizikai hőszabályozás) különböző forrásokból származnak, és nagyon változatosak.
Kémiai hőszabályozás
A környezeti hőmérséklet csökkenésére reagálva a melegvérű állatok reflexszerűen fokozzák az endogén hőtermelést. Ezt az oxidatív folyamatok fokozásával érik el, különösen az izomszövetekben. Az összehangolatlan izomösszehúzódás (remegés) és a hőszabályozási tónus a hőtermelés fokozásának első szakasza. Ugyanakkor a lipidanyagcsere fokozódik, és a zsírszövet válik a jobb hőszabályozás kulcsává. A hideg éghajlaton élő emlősöknek még barna zsírjuk is van, aminek az oxidációjából származó összes hő a test felmelegítésére megy el. Ez az energiafelhasználás megköveteli az állattól, hogy nagy mennyiségű táplálékot fogyasszon, vagy jelentős zsírtartalékokkal rendelkezzen. Ezen erőforrások hiányában a kémiai hőszabályozásnak megvannak a határai.
A fizikai hőszabályozás mechanizmusai
Az ilyen típusú hőszabályozás nem igényel többletköltséget a hőtermeléshez, hanem az endogén hő megőrzésével valósul meg. A bőr párolgása (izzadás), sugárzás (sugárzás), hővezetés (vezetés) és konvekció útján történik. A fizikai hőszabályozás módszerei az evolúció során fejlődtek ki, és egyre tökéletesebbek a filogenetikai sorozatok tanulmányozása során a rovarevőktől a denevérektől az emlősökig.
Példa erre a szabályozásra a bőr vérkapillárisainak szűkülése vagy kitágulása, amely megváltozikhővezető képesség, a szőrzet és a toll hőszigetelő tulajdonságai, a vér ellenáramú hőcseréje a felszíni erek és a belső szervek erei között. A hőleadást a szőrszálak és a tollak lejtése szabályozza, amelyek között légrés marad.
Tengeri emlősöknél a bőr alatti zsír eloszlik a testben, védve az endo-hőt. Például a fókákban egy ilyen zsíros zacskó eléri a teljes tömeg 50% -át. Éppen ezért a jégen heverő fókák alatt órákig nem olvad el a hó. A forró éghajlaton élő állatok számára végzetes lehet a testzsír egyenletes eloszlása a test teljes felületén. Ezért zsírjuk csak bizonyos testrészeken halmozódik fel (teve púpja, birka kövér farka), ami nem akadályozza meg a test teljes felületéről történő párolgást. Ezenkívül az északi hideg éghajlaton élő állatok speciális zsírszövettel (barna zsírral) rendelkeznek, amelyet teljes mértékben a test felmelegítésére használnak fel.
Délebbre – nagyobb fülek és hosszabb lábak
A test különböző részei a hőátadás szempontjából közel sem egyenértékűek. A hőátadás fenntartásához fontos a testfelület és térfogatának aránya, mivel a belső hő térfogata a test tömegétől függ, és a hőátadás a testrészeken keresztül történik. A kiálló testrészek nagy felületűek, ami jó a meleg éghajlaton, ahol a melegvérű állatoknak nagy hőátadásra van szükségük. Például a nagy fülek sok vérerekkel, hosszú végtagokkal és farokkal jellemzőek a forró éghajlat lakóira (elefánt, róka, afrikai).hosszúfülű jerboa). Hideg körülmények között az alkalmazkodás azt az utat követi, hogy a területet megtakarítják a térfogathoz (a tömítések füle és farka).
Van egy másik törvény a melegvérű állatokra – minél északabbra élnek egy filogenetikai csoport képviselői, annál nagyobbak. És ez összefügg a párolgási felület térfogatának, és ennek megfelelően a hőveszteségnek és az állat tömegének arányával is.
Etológia és hőátadás
A viselkedési jellemzők szintén fontos szerepet játszanak a hőátadási folyamatokban, mind a poikiloterm, mind a homeoterm állatok esetében. Ez magában foglalja a testtartás megváltoztatását, a menedékházak építését és a különféle vándorlásokat. Minél nagyobb a lyuk mélysége, annál egyenletesebb a hőmérséklet. A középső szélességi fokokon, 1,5 méteres mélységben a szezonális hőmérséklet-ingadozások észrevehetetlenek.
A csoport viselkedését a hőszabályozásra is használják. Tehát a pingvinek összebújnak, szorosan egymásba tapadva. A kupac belsejében a hőmérséklet közel van a pingvinek testhőmérsékletéhez (+37 ° C), még a legsúlyosabb fagyok esetén is. A tevék is ezt teszik - a csoport közepén a hőmérséklet körülbelül +39 °C, a legkülső állatok szőrzete pedig +70 °C-ig melegíthető.
A hibernálás különleges stratégia
A heves állapot (kábulat) vagy a hibernáció a melegvérű állatok speciális stratégiái, amelyek lehetővé teszik a testhőmérséklet változásainak adaptív felhasználását. Ebben az állapotban az állatok abbahagyják a testhőmérséklet fenntartását, és szinte nullára csökkentik. A hibernációt az anyagcsere sebességének csökkenése ésfelhalmozott erőforrások felhasználása. Ez egy jól szabályozott élettani állapot, amikor a hőszabályozási mechanizmusok alacsonyabb szintre kapcsolnak - csökken a pulzusszám (pl. egy háló egérben 450-ről 35 ütésre percenként), az oxigénfogyasztás 20-100-szorosára csökken.
Az ébredés energiát igényel, és önfelmelegedéssel megy végbe, ami nem tévesztendő össze a hidegvérű állatok kábulatával, ahol a környezeti hőmérséklet csökkenése okozza, és ez egy olyan állapot, amelyet maga a szervezet nem szabályoz (ébredés). külső tényezők hatására következik be).
A kábulat is szabályozott állapot, de a testhőmérséklet csak néhány fokkal csökken, és gyakran kíséri a cirkadián ritmust. Például a kolibri éjszaka elzsibbad, amikor testhőmérsékletük 40 °C-ról 18 °C-ra csökken. Sok átmenet van a toporgás és a hibernáció között. Tehát, bár a medvék téli hibernált alvását hívjuk, valójában anyagcseréjük enyhén csökken, és testhőmérsékletük mindössze 3-6 ° C-kal csökken. Ebben az állapotban a medve kölyköket szül.
Miért van kevés homoioterm organizmus a vízi környezetben
A hidrobiontok (vízi környezetben élő szervezetek) között kevés a melegvérű állatok képviselője. A bálnák, delfinek, szőrfókák másodlagos víziállatok, amelyek a szárazföldről tértek vissza a vízi környezetbe. A melegvérűség elsősorban az anyagcsere-folyamatok fokozódásával jár, melynek alapja az oxidációs reakciók. És itt az oxigén játszik főszerepet. És mint tudod, bea vízi környezetben az oxigéntartalom nem haladja meg az 1 térfogatszázalékot. Az oxigén diffúziója a vízben ezerszer kisebb, mint a levegőben, ami még kevésbé hozzáférhetővé teszi. Ezenkívül a hőmérséklet emelkedésével és a víz szerves vegyületekkel való dúsításával az oxigéntartalom csökken. Mindez energetikailag kedvezőtlenné teszi a melegvérű élőlények nagyszámú létezését a vízi környezetben.
Érvek és hátrányok
A melegvérű állatok fő előnye a hidegvérűekkel szemben, hogy hajlandók cselekedni a környezeti hőmérséklettől függetlenül. Ez egy lehetőség a fagyponthoz közeli éjszakai hőmérsékletek és a szárazföld északi területeinek fejlődésének elviselésére.
A melegvérűség fő hátránya a magas energiafogyasztás az állandó testhőmérséklet fenntartása érdekében. Ennek pedig a fő forrása az élelmiszer. Egy melegvérű oroszlánnak tízszer több táplálékra van szüksége, mint egy ugyanolyan súlyú hidegvérű krokodilnak.
