Planeettamme elämän monimuotoisuus on mittakaav altaan silmiinpistävää. Kanadalaisten tutkijoiden viimeaikaisten tutkimusten mukaan planeetallamme asuu 8,7 miljoonaa eläin-, kasvi-, sieni- ja mikro-organismia. Lisäksi vain noin 20% niistä on kuvattu, ja tämä on 1,5 miljoonaa meille tunnettua lajia. Elävät organismit ovat asuttaneet kaikki planeetan ekologiset markkinaraot. Biosfäärissä ei ole paikkaa, jossa ei olisi elämää. Tulivuorten aukoissa ja Everestin huipulla - kaikkialla löydämme elämää sen eri ilmenemismuodoissa. Ja epäilemättä luonto on tällaisen monimuotoisuuden ja levinneisyyden velkaa lämminverisyysilmiön (homeotermisten organismien) ilmaantumisen evoluutioprosessiin.
Elämän raja on lämpötila
Elämän perusta on elimistön aineenvaihdunta, joka riippuu kemiallisten prosessien nopeudesta ja luonteesta. MUTTAnämä kemialliset reaktiot ovat mahdollisia vain tietyllä lämpötila-alueella omilla indikaattoreillaan ja altistuksen kestolla. Suuremmalle määrälle organismeja ympäristön lämpötilatilan raja-indikaattoreiksi katsotaan 0 - +50 celsiusastetta.
Mutta tämä on spekulatiivinen johtopäätös. Olisi tarkempaa sanoa, että elämän lämpötilarajat ovat sellaisia, joissa ei tapahdu proteiinien denaturaatiota, samoin kuin peruuttamattomia muutoksia solujen sytoplasman kolloidisissa ominaisuuksissa, mikä rikkoo elintärkeiden entsyymien toimintaa. Ja monet organismit ovat kehittäneet erittäin erikoistuneita entsymaattisia järjestelmiä, jotka ovat antaneet niiden elää olosuhteissa, jotka ylittävät nämä rajat.
Ympäristöluokitus
Optimaisten elämänlämpötilojen rajat määräävät planeetan elämänmuotojen jakautumisen kahteen ryhmään - kryofiileihin ja termofiileihin. Ensimmäinen ryhmä suosii kylmää elämää ja on erikoistunut elämään sellaisissa olosuhteissa. Yli 80 % planeetan biosfääristä on kylmiä alueita, joiden keskilämpötila on +5 °C. Nämä ovat v altamerten syvyydet, arktisen ja Etelämantereen aavikot, tundra ja ylängöt. Lisääntynyt kylmäkestävyys saadaan aikaan biokemiallisilla sopeutuksilla.
Kryofiilien entsymaattinen järjestelmä alentaa tehokkaasti biologisten molekyylien aktivaatioenergiaa ja ylläpitää aineenvaihduntaa solussa lämpötilassa, joka on lähellä 0 °C. Samaan aikaan mukautukset menevät kahteen suuntaan - vastustuskyvyn (opposition) tai toleranssin (resistanssi) hankkimisessa kylmälle. Termofiilien ekologinen ryhmä ovat organismeja, jotka ovat optimaalisiajoiden elämä on korkeita lämpötiloja. Heidän elämänaktiviteettinsa tarjoaa myös biokemiallisten sopeutumisten erikoistuminen. On syytä mainita, että kehon organisoinnin monimutkaistuessa sen kyky lämpöfiliaa heikkenee.
Kehonlämpö
Elävän järjestelmän lämmön tasapaino on sen sisään- ja ulosvirtauksen kokonaisuus. Organismien ruumiinlämpötila riippuu ympäristön lämpötilasta (eksogeeninen lämpö). Lisäksi pakollinen elämän ominaisuus on endogeeninen lämpö - sisäisen aineenvaihdunnan tuote (hapetusprosessit ja adenosiinitrifosforihapon hajoaminen). Useimpien lajien elintärkeä toiminta planeetallamme riippuu ulkoisesta lämmöstä, ja niiden ruumiinlämpötila riippuu ympäristön lämpötilojen kulusta. Nämä ovat poikilotermisiä organismeja (poikiloja - erilaisia), joissa ruumiinlämpö vaihtelee.
Poikilotermit ovat kaikki mikro-organismeja, sieniä, kasveja, selkärangattomia ja useimpia chordaatteja. Ja vain kaksi selkärankaisten ryhmää - linnut ja nisäkkäät - ovat homoiotermisiä organismeja (homoios - samanlaisia). Ne ylläpitävät vakiona ruumiinlämpöä ympäristön lämpötilasta riippumatta. Niitä kutsutaan myös lämminverisiksi eläimiksi. Niiden tärkein ero on voimakkaan sisäisen lämmön virtauksen ja lämmönsäätelymekanismien järjestelmän läsnäolo. Tämän seurauksena homoiotermisissä organismeissa kaikki fysiologiset prosessit tapahtuvat optimaalisissa ja vakiolämpötiloissa.
Totta ja tarua
Jotkut poikilotermiteliöillä, kuten kaloilla ja piikkinahkaisilla, on myös vakio ruumiinlämpö. Ne elävät olosuhteissa, joissa ulkoiset lämpötilat pysyvät vakiona (meren tai luolien syvyydet), joissa ympäristön lämpötila ei muutu. Niitä kutsutaan virheellisesti homoiotermisiksi organismeiksi. Monilla eläimillä, jotka kokevat lepotilaa tai tilapäistä pyörrytystä, ruumiinlämpötila vaihtelee. Näitä todella homoiotermisiä organismeja (esimerkkejä: murmelit, lepakot, siilit, swiftit ja muut) kutsutaan heterotermisiksi.
Rakas aromorfoosi
Homoiotermian ilmaantuminen eläviin olentoihin on erittäin energiaa kuluttava evoluutiotapahtuma. Tutkijat kiistelevät edelleen tämän asteittaisen rakenteen muutoksen alkuperästä, joka johti organisaatiotason nousuun. Lämminveristen organismien alkuperästä on ehdotettu monia teorioita. Jotkut tutkijat myöntävät, että jopa dinosauruksilla voi olla tämä ominaisuus. Mutta kaikkien tutkijoiden erimielisyyksien kanssa yksi asia on varma: homoiotermisten organismien ilmaantuminen on bioenergeettinen ilmiö. Ja elämänmuotojen komplikaatio liittyy lämmönsiirtomekanismien toiminnalliseen paranemiseen.
Lämpötilan kompensointi
Joidenkin poikilotermisten organismien kyky ylläpitää aineenvaihduntaprosessien vakiotasoa erilaisissa kehon lämpötilan muutoksissa saadaan aikaan biokemiallisilla mukautuksilla, ja sitä kutsutaan lämpötilakompensaatioksi. Se perustuu joidenkin entsyymien kykyyn muuttaa konfiguraatiotaan lämpötilan laskiessa ja lisätä affiniteettiaan substraatin kanssa, mikä lisää reaktioiden nopeutta. Esimerkiksi simpukoissa simpukoitaBarentsinmerellä hapenkulutus ei riipu ympäristön lämpötiloista, jotka vaihtelevat välillä 25 °C (+5 - +30 °C).
Keskitason lomakkeet
Evoluutiobiologit ovat löytäneet samat siirtymämuodot poikilotermisistä lämminverisiin nisäkkäisiin. Kanadalaiset Brockin yliopiston biologit ovat havainneet kausiluonteista lämminveristä Argentiinan mustavalkotegua (Alvator merianae). Tämä lähes metrin lisko asuu Etelä-Amerikassa. Kuten useimmat matelijat, tegu paistattelee auringossa päivällä ja piiloutuu öisin koloihin ja luoliin, missä se jäähtyy. Mutta pesimäkauden aikana syyskuusta lokakuuhun tegun lämpötila, hengitystiheys ja sydämen supistusten rytmi aamuisin nousevat jyrkästi. Liskon ruumiinlämpö voi ylittää luolan lämpötilan kymmenellä asteella. Tämä todistaa muotojen siirtymisen kylmäverisistä eläimistä homoiotermisiin eläimiin.
Lämmönsäätömekanismit
Homoiotermiset organismit pyrkivät aina varmistamaan tärkeimpien järjestelmien - verenkierto-, hengitys-, eritys - toiminnan tuottamalla mahdollisimman vähän lämpöä. Tätä levossa syntyvää minimiä kutsutaan perusaineenvaihdunnaksi. Lämminveristen eläinten siirtyminen aktiiviseen tilaan lisää lämmöntuotantoa, ja ne tarvitsevat mekanismeja lämmönsiirron lisäämiseksi proteiinien denaturoitumisen estämiseksi.
Näiden prosessien välinen tasapaino saadaan aikaan kemiallisella ja fysikaalisella lämmönsäätelyllä. Nämä mekanismit suojaavat homoiotermisiä organismeja matalilta lämpötiloilta jaylikuumeneminen. Vakiolämpötilan ylläpitämisessä (kemiallinen ja fyysinen lämmönsäätely) on erilaisia lähteitä ja ne ovat hyvin erilaisia.
Kemiallinen lämpösäätely
Reaktiona ympäristön lämpötilan laskuun lämminveriset eläimet lisäävät refleksiivisesti endogeenisen lämmön tuotantoa. Tämä saavutetaan lisäämällä oksidatiivisia prosesseja erityisesti lihaskudoksissa. Koordinoimaton lihasten supistuminen (vapina) ja lämmönsäätelyäänet ovat lämmöntuotannon lisääntymisen ensimmäisiä vaiheita. Samalla lipidiaineenvaihdunta kiihtyy ja rasvakudoksesta tulee avain parempaan lämmönsäätelyyn. Kylmässä ilmastossa nisäkkäissä on jopa ruskeaa rasvaa, jonka hapettumisesta syntyvä lämpö menee kaikki kehon lämmittämiseen. Tämä energiankulutus vaatii eläimeltä joko suuren määrän ruokaa tai huomattavia rasvavarastoja. Näiden resurssien puutteessa kemiallisella lämmönsäätelyllä on rajansa.
Fyysisen lämpösäätelyn mekanismit
Tällainen lämmönsäätely ei vaadi lisäkustannuksia lämmöntuotannosta, vaan se suoritetaan säilyttämällä endogeenistä lämpöä. Se suoritetaan haihduttamalla (hikoilu), säteilyllä (säteily), lämmön johtumista (johtuminen) ja ihon konvektiolla. Fysikaaliset lämpösäätelymenetelmät ovat kehittyneet evoluution aikana, ja ne ovat yhä täydellisempiä, kun tutkitaan fylogeneettisiä sarjoja hyönteissyöjistä ja lepakoista nisäkkäisiin.
Esimerkki tällaisesta säätelystä on ihon verikapillaarien kaventuminen tai laajeneminen, mikä muuttaalämmönjohtavuus, turkin ja höyhenten lämpöä eristävät ominaisuudet, veren vastavirtalämmönvaihto pinnallisten ja sisäelinten verisuonten välillä. Lämmönpoistoa säätelee karvan ja höyhenten k altevuus, joiden välissä säilyy ilmarako.
Merinisäkkäillä ihonalainen rasva jakautuu koko kehoon ja suojaa sisälämpöä. Esimerkiksi hylkeissä tällainen rasvapussi saavuttaa jopa 50% kokonaispainosta. Siksi lumi ei sula tuntikausiin jäällä makaavien hylkeiden alla. Kuumissa ilmastoissa eläville eläimille kehon rasvan tasainen jakautuminen koko kehon pinnalle olisi kohtalokasta. Siksi niiden rasva kerääntyy vain tiettyihin kehon osiin (kamelin kyhmy, lampaan rasvapyrstö), mikä ei estä haihtumista koko kehon pinn alta. Lisäksi pohjoisen kylmän ilmaston eläimillä on erityinen rasvakudos (ruskea rasva), jota käytetään täysin kehon lämmittämiseen.
Eteläisempää - isommat korvat ja pidemmät jalat
Kehon eri osat eivät ole kaukana samanarvoisista lämmönsiirron suhteen. Lämmönsiirron ylläpitämiseksi kehon pinnan ja sen tilavuuden suhde on tärkeä, koska sisäisen lämmön tilavuus riippuu kehon massasta ja lämmönsiirto tapahtuu ihokudosten kautta. Kehon ulkonevat osat ovat suuren pinta-alan ansiosta hyvä kuumaan ilmastoon, jossa lämminveriset eläimet tarvitsevat paljon lämmönsiirtoa. Esimerkiksi suuret korvat, joissa on paljon verisuonia, pitkät raajat ja häntä ovat tyypillisiä kuuman ilmaston asukkaille (norsu, fenekkettu, afrikkalainenpitkäkorvainen jerboa). Kylmissä olosuhteissa sopeutuminen seuraa polkua säästää aluetta tilavuuteen (hylkeiden korvat ja häntä).
Lämminverisille eläimille on toinen laki - mitä pohjoisempana yhden fylogeneettisen ryhmän edustajat asuvat, sitä suurempia ne ovat. Ja tämä liittyy myös haihdutuspinnan tilavuuden ja vastaavasti lämpöhäviön ja eläimen massan suhteeseen.
Etologia ja lämmönsiirto
Käyttäytymisominaisuuksilla on myös tärkeä rooli lämmönsiirtoprosesseissa sekä poikilotermisten että homeotermisten eläinten kohdalla. Tämä sisältää muutoksia asennossa ja suojien rakentamisessa sekä erilaisia muuttoja. Mitä suurempi reiän syvyys, sitä tasaisemmin lämpötilat kulkevat. Keskipitkillä leveysasteilla, 1,5 metrin syvyydessä, vuodenaikojen lämpötilan vaihtelut ovat huomaamattomia.
Ryhmän käyttäytymistä käytetään myös lämmönsäätelyyn. Joten pingviinit painautuvat yhteen, kiinnittyen tiukasti toisiinsa. Kasan sisällä lämpötila on lähellä pingviinien ruumiinlämpöä (+37 ° C) jopa ankarimmissa pakkasissa. Kamelit tekevät samoin - ryhmän keskellä lämpötila on noin +39 °C ja uloimpien eläinten turkki voidaan lämmittää +70 °C:seen.
Lepotila on erityinen strategia
Lämpötila (stupor) tai horrostila ovat lämminveristen eläinten erityisstrategioita, jotka mahdollistavat kehon lämpötilan muutosten käytön sopeutumistarkoituksiin. Tässä tilassa eläimet lopettavat kehon lämpötilan ylläpitämisen ja laskevat sen lähes nollaan. Lepotilalle on ominaista aineenvaihduntanopeuden hidastuminen jakertyneiden resurssien kulutukseen. Tämä on hyvin säädelty fysiologinen tila, kun lämmönsäätelymekanismit siirtyvät alemmalle tasolle - syke laskee (esim. makuuhiirellä 450:stä 35 lyöntiin minuutissa), hapenkulutus laskee 20-100 kertaa.
Herääminen vaatii energiaa ja tapahtuu itsensä lämpenemisenä, jota ei pidä sekoittaa kylmäveristen eläinten totutteluun, jossa se johtuu ympäristön lämpötilan laskusta ja on tila, jota keho itse ei säätele (herääminen) tapahtuu ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta).
Stupor on myös säädelty tila, mutta ruumiinlämpö laskee vain muutaman asteen ja liittyy usein vuorokausirytmeihin. Esimerkiksi kolibrit tunnoton yöllä, kun niiden ruumiinlämpö laskee 40 °C:sta 18 °C:seen. Torporin ja lepotilan välillä on monia siirtymiä. Joten vaikka kutsumme karhujen unta talven lepotilaksi, itse asiassa niiden aineenvaihdunta laskee hieman ja ruumiinlämpötila laskee vain 3-6 ° C. Tässä tilassa naaraskarhu synnyttää pentuja.
Miksi vesiympäristössä on vähän homoiotermisiä organismeja
Hydrobionteista (vesiympäristössä elävistä eliöistä) on vain vähän lämminveristen eläinten edustajia. Valaat, delfiinit, turkishylkeet ovat toissijaisia vesieläimiä, jotka ovat palanneet ma alta vesiympäristöön. Lämpimäisyys liittyy ensisijaisesti aineenvaihduntaprosessien lisääntymiseen, jonka perustana ovat hapetusreaktiot. Ja hapella on tässä tärkeä rooli. Ja kuten tiedät, sisäänvesiympäristössä happipitoisuus on enintään 1 tilavuusprosentti. Hapen diffuusio vedessä on tuhansia kertoja pienempi kuin ilmassa, mikä tekee hapen saatavuuden vieläkin heikommaksi. Lisäksi lämpötilan noustessa ja veden rikastuessa orgaanisilla yhdisteillä happipitoisuus laskee. Kaikki tämä tekee suuren määrän lämminveristen organismien olemassaolosta vesiympäristössä energeettisesti epäedullista.
Hyvät ja huonot puolet
Lämminveristen eläinten tärkein etu kylmäverisiin verrattuna on niiden halukkuus toimia ympäristön lämpötilasta riippumatta. Tämä on mahdollisuus kestää yön lähellä pakkasta ja maan pohjoisten alueiden kehitystä.
Lämpöverisyyden suurin haittapuoli on korkea energiankulutus kehon vakiolämpötilan ylläpitämiseksi. Ja tämän päälähde on ruoka. Lämminverinen leijona tarvitsee kymmenen kertaa enemmän ruokaa kuin samanpainoinen kylmäverinen krokotiili.
