Raznolikost življenja na našem planetu je presenetljiva v svojem obsegu. Nedavne študije kanadskih znanstvenikov navajajo številko 8,7 milijona vrst živali, rastlin, gliv in mikroorganizmov, ki naseljujejo naš planet. Poleg tega jih je opisanih le približno 20% in to je 1,5 milijona vrst, ki jih poznamo. Živi organizmi so naselili vse ekološke niše na planetu. V biosferi ni kraja, kjer ne bi bilo življenja. V odprtinah vulkanov in na vrhu Everesta - povsod najdemo življenje v njegovih različnih pojavnih oblikah. In nedvomno je narava dolžna takšno raznolikost in razširjenost pojavu fenomena toplokrvnosti (homeotermnih organizmov) v procesu evolucije.
Meja življenja je temperatura
Osnova življenja je telesna presnova, ki je odvisna od hitrosti in narave kemičnih procesov. AMPAKte kemične reakcije so možne le v določenem temperaturnem območju, s svojimi lastnimi indikatorji in trajanjem izpostavljenosti. Za večje število organizmov se za mejne indikatorje temperaturnega režima okolja štejejo od 0 do +50 stopinj Celzija.
Toda to je špekulativen sklep. Bolj natančno bi bilo reči, da bodo temperaturne meje življenja tiste, pri katerih ni denaturacije beljakovin, pa tudi nepopravljivih sprememb koloidnih značilnosti citoplazme celic, kršitve aktivnosti vitalnih encimov. Mnogi organizmi so razvili visoko specializirane encimske sisteme, ki so jim omogočili, da živijo v razmerah, ki daleč presegajo te meje.
Okoljska klasifikacija
Meje optimalnih življenjskih temperatur določajo delitev življenjskih oblik na planetu v dve skupini - kriofili in termofili. Prva skupina ima raje mraz za življenje in je specializirana za življenje v takšnih razmerah. Več kot 80 % biosfere planeta so hladna območja s povprečno temperaturo +5 °C. To so globine oceanov, puščave Arktike in Antarktike, tundra in visokogorje. Povečana odpornost na mraz je zagotovljena z biokemičnimi prilagoditvami.
Encimski sistem kriofilov učinkovito znižuje aktivacijsko energijo bioloških molekul in vzdržuje metabolizem v celici pri temperaturi blizu 0 °C. Obenem gredo adaptacije v dve smeri – v pridobivanje odpornosti (opozicije) ali tolerance (odpornosti) na mraz. Ekološka skupina termofilov so organizmi, ki so optimalni zakaterih življenja so območja visokih temperatur. Njihovo življenjsko aktivnost zagotavlja tudi specializacija biokemičnih prilagoditev. Omeniti velja, da se z zapletom organizacije telesa zmanjšuje njegova sposobnost termofilije.
Telesna temperatura
Ravnovesje toplote v živem sistemu je celota njegovega dotoka in odtoka. Telesna temperatura organizmov je odvisna od temperature okolja (eksogena toplota). Poleg tega je obvezen atribut življenja endogena toplota - produkt notranje presnove (oksidativni procesi in razgradnja adenozin trifosforjeve kisline). Življenjska aktivnost večine vrst na našem planetu je odvisna od eksogene toplote, njihova telesna temperatura pa od poteka temperatur okolice. To so poikilotermni organizmi (poikilos - različni), pri katerih je telesna temperatura spremenljiva.
Poikiloterme so vsi mikroorganizmi, glive, rastline, nevretenčarji in večina hordatov. In samo dve skupini vretenčarjev - ptice in sesalci - sta homoiotermni organizmi (homoios - podobno). Ohranjajo konstantno telesno temperaturo, ne glede na temperaturo okolice. Imenujejo jih tudi toplokrvne živali. Njihova glavna razlika je prisotnost močnega toka notranje toplote in sistema termoregulacijskih mehanizmov. Posledično se v homoiotermnih organizmih vsi fiziološki procesi izvajajo pri optimalnih in konstantnih temperaturah.
res in napačno
Nekaj poikilotermorganizmi, kot so ribe in iglokožci, imajo tudi stalno telesno temperaturo. Živijo v pogojih stalnih zunanjih temperatur (globine oceana ali jam), kjer se temperatura okolice ne spreminja. Imenujejo se lažno homoiotermni organizmi. Številne živali, ki doživljajo hibernacijo ali začasno utrujenost, imajo nihajoče telesne temperature. Te resnično homoiotermne organizme (primeri: svizci, netopirji, ježi, skorji in drugi) imenujemo heterotermni.
Draga aromorfoza
Pojav homoiotermije pri živih bitjih je evolucijska pridobitev, ki porabi veliko energije. Znanstveniki se še vedno prepirajo o izvoru te progresivne spremembe v strukturi, ki je privedla do dviga ravni organizacije. Za izvor toplokrvnih organizmov je bilo predlaganih veliko teorij. Nekateri raziskovalci priznavajo, da bi lahko imeli to lastnost celo dinozavri. Toda ob vseh nesoglasjih znanstvenikov je eno gotovo: pojav homoiotermnih organizmov je bioenergetski fenomen. In zaplet življenjskih oblik je povezan s funkcionalnim izboljšanjem mehanizmov prenosa toplote.
temperaturna kompenzacija
Sposobnost nekaterih poikilotermnih organizmov, da vzdržujejo konstantno raven presnovnih procesov v širokem razponu sprememb telesne temperature, zagotavljajo biokemične prilagoditve in se imenuje temperaturna kompenzacija. Temelji na sposobnosti nekaterih encimov, da z znižanjem temperature spremenijo svojo konfiguracijo in povečajo svojo afiniteto do substrata, s čimer se poveča hitrost reakcij. Na primer pri školjkah školjkV Barentsovem morju poraba kisika ni odvisna od temperature okolice, ki se giblje od 25 °C (+5 do +30 °C).
vmesne oblike
Evolucijski biologi so našli enake predstavnike prehodnih oblik od poikilotermnih do toplokrvnih sesalcev. Kanadski biologi z univerze Brock so odkrili sezonsko toplokrvnost pri argentinskem črno-belem tegu (Alvator merianae). Ta skoraj metrski kuščar živi v Južni Ameriki. Tako kot večina plazilcev se tegu podnevi sonči na soncu, ponoči pa se skriva v rovih in jamah, kjer se ohladi. Toda v gnezditveni sezoni od septembra do oktobra se temperatura teguja, hitrost dihanja in ritem srčnih kontrakcij zjutraj močno povečajo. Telesna temperatura kuščarja lahko preseže temperaturo v jami za deset stopinj. To dokazuje prehod oblik iz hladnokrvnih živali v homoiotermne živali.
Mehanizmi termoregulacije
Homiotermni organizmi vedno delujejo tako, da zagotavljajo delovanje glavnih sistemov - obtočil, dihal, izločanja - z ustvarjanjem minimalne proizvodnje toplote. Ta minimum, ki nastane v mirovanju, se imenuje bazalni metabolizem. Prehod v aktivno stanje pri toplokrvnih živalih poveča proizvodnjo toplote in potrebujejo mehanizme za povečanje prenosa toplote, da preprečijo denaturacijo beljakovin.
Proces doseganja ravnovesja med temi procesi je zagotovljen s kemično in fizikalno termoregulacijo. Ti mehanizmi zagotavljajo zaščito homoiotermnih organizmov pred nizkimi temperaturami inpregrevanje. Mehanizmi za vzdrževanje stalne telesne temperature (kemična in fizična termoregulacija) imajo različne vire in so zelo raznoliki.
Kemična termoregulacija
Kot odgovor na znižanje temperature okolja toplokrvne živali refleksno povečajo proizvodnjo endogene toplote. To dosežemo s povečanjem oksidativnih procesov, predvsem v mišičnih tkivih. Neusklajeno krčenje mišic (tresenje) in termoregulacijski tonus sta prva stopnja povečanja proizvodnje toplote. Hkrati se poveča presnova lipidov, maščobno tkivo pa postane ključ do boljše termoregulacije. Sesalci v hladnem podnebju imajo celo rjavo maščobo, katere vsa toplota zaradi oksidacije gre za ogrevanje telesa. Ta poraba energije zahteva, da žival zaužije veliko količino hrane ali pa ima znatne zaloge maščobe. Zaradi pomanjkanja teh virov ima kemična termoregulacija svoje meje.
Mehanizmi fizične termoregulacije
Ta vrsta termoregulacije ne zahteva dodatnih stroškov za proizvodnjo toplote, ampak se izvaja z ohranjanjem endogene toplote. Izvaja se z izhlapevanjem (potenje), sevanjem (sevanje), toplotno prevodnostjo (prevajanje) in konvekcijo kože. Metode fizične termoregulacije so se razvile v teku evolucije in postajajo vse bolj popolne pri proučevanju filogenetskega niza od žuželkojedih in netopirjev do sesalcev.
Primer takšne regulacije je zoženje ali širjenje krvnih kapilar kože, ki se spremenitoplotna prevodnost, toplotnoizolacijske lastnosti krzna in perja, protitočna izmenjava toplote krvi med površinskimi žilami in posodami notranjih organov. Odvajanje toplote uravnavamo z naklonom dlake in perja, med katerimi se vzdržuje zračna reža.
Pri morskih sesalcih je podkožna maščoba razporejena po telesu in ščiti endo-toploto. Na primer, pri tjulnjih takšna maščobna vreča doseže do 50% celotne teže. Zato se sneg pod tjulnji, ki ležejo na ledu, ne topi ure in ure. Za živali, ki živijo v vročem podnebju, bi bila enakomerna porazdelitev telesne maščobe po celotni površini telesa usodna. Zato se njihova maščoba nabira le na določenih delih telesa (kameljeva grba, maščobni rep ovce), kar ne preprečuje izhlapevanja s celotne površine telesa. Poleg tega imajo živali severnega hladnega podnebja posebno maščobno tkivo (rjavo maščobo), ki se v celoti uporablja za ogrevanje telesa.
Bolj južno - večja ušesa in daljše noge
Različni deli telesa še zdaleč niso enakovredni glede prenosa toplote. Za vzdrževanje prenosa toplote je pomembno razmerje med površino telesa in njegovo prostornino, saj je volumen notranje toplote odvisen od mase telesa, prenos toplote pa poteka skozi kožne obloge. Izstopajoči deli telesa imajo veliko površino, kar je dobro za vroče podnebje, kjer toplokrvne živali potrebujejo veliko prenosa toplote. Na primer, velika ušesa s številnimi krvnimi žilami, dolgimi okončinami in repom so značilni za prebivalce vročega podnebja (slon, lisica fennec, afriška lisica).dolgouha jerboa). V mrzlih razmerah prilagajanje sledi poti prihranka površine na prostornino (ušesa in rep tjulnjev).
Za toplokrvne živali velja še en zakon – bolj na severu živijo predstavniki ene filogenetske skupine, večji so. In to je povezano tudi z razmerjem med prostornino površine izhlapevanja in s tem izgubo toplote ter maso živali.
Etologija in prenos toplote
Vedenjske značilnosti igrajo pomembno vlogo tudi pri procesih prenosa toplote, tako za poikilotermne kot homeotermne živali. To vključuje spremembe drže, gradnjo zavetišč in različne selitve. Večja kot je globina luknje, bolj gladek je potek temperatur. Za srednje zemljepisne širine, na globini 1,5 metra, so sezonska temperaturna nihanja neopazna.
Obnašanje skupine se uporablja tudi za termoregulacijo. Torej, pingvini se stiskajo skupaj in se tesno oprimejo drug drugega. Znotraj kupa je temperatura blizu telesne temperature pingvinov (+37 ° C) tudi v najhujših zmrzalih. Kamele delajo enako - v središču skupine je temperatura okoli +39 °C, kožuh najbolj oddaljenih živali pa se lahko segreje do +70 °C.
Hibernacija je posebna strategija
Torpidno stanje (stupor) ali hibernacija sta posebne strategije toplokrvnih živali, ki omogočajo uporabo sprememb telesne temperature za prilagoditvene namene. V tem stanju živali prenehajo vzdrževati telesno temperaturo in jo znižajo skoraj na nič. Za hibernacijo je značilno zmanjšanje hitrosti presnove inporaba akumuliranih virov. To je dobro urejeno fiziološko stanje, ko se termoregulacijski mehanizmi preklopijo na nižjo raven - srčni utrip se zmanjša (na primer pri polhu s 450 na 35 utripov na minuto), poraba kisika se zmanjša za 20-100-krat.
Prebujenje zahteva energijo in nastane s samosegrevanjem, ki ga ne smemo zamenjevati z omamljenostjo hladnokrvnih živali, kjer je posledica znižanja temperature okolice in je stanje, ki ga telo samo ne regulira (prebujanje nastane pod vplivom zunanjih dejavnikov).
Stupor je tudi urejeno stanje, vendar telesna temperatura pade le za nekaj stopinj in pogosto spremlja cirkadiane ritme. Na primer, kolibri ponoči otrpnijo, ko njihova telesna temperatura pade z 40°C na 18°C. Med utrujenostjo in hibernacijo je veliko prehodov. Torej, čeprav imenujemo spanje medvedov v zimski hibernaciji, se v resnici njihov metabolizem nekoliko zmanjša, njihova telesna temperatura pa pade le za 3-6 ° C. V tem stanju medvedka rodi mladiče.
Zakaj je v vodnem okolju malo homoiotermnih organizmov
Med hidrobioti (organizmi, ki živijo v vodnem okolju) je malo predstavnikov toplokrvnih živali. Kiti, delfini, tjulnji so sekundarne vodne živali, ki so se v vodno okolje vrnile s kopnega. Toplokrvnost je povezana predvsem s povečanjem presnovnih procesov, katerih osnova so oksidacijske reakcije. In kisik ima tukaj glavno vlogo. In, kot veste, vv vodnem okolju vsebnost kisika ni višja od 1 vol. Difuzija kisika v vodi je tisočkrat manjša kot v zraku, zaradi česar je še manj dostopen. Poleg tega se s povečanjem temperature in obogatitvijo vode z organskimi spojinami zmanjša vsebnost kisika. Zaradi vsega tega je obstoj velikega števila toplokrvnih organizmov v vodnem okolju energetsko neugoden.
Prednosti in slabosti
Glavna prednost toplokrvnih živali pred hladnokrvnimi je njihova pripravljenost delovati ne glede na temperaturo okolice. To je priložnost, da prenesemo nočne temperature blizu ledišča in razvoj severnih ozemelj.
Glavna pomanjkljivost toplokrvnosti je visoka poraba energije za vzdrževanje stalne telesne temperature. In glavni vir za to je hrana. Toplokrvni lev potrebuje desetkrat več hrane kot hladnokrvni krokodil enake teže.
