Dzīvības daudzveidība uz mūsu planētas ir pārsteidzoša savā mērogā. Jaunākie Kanādas zinātnieku pētījumi liecina par 8,7 miljoniem dzīvnieku, augu, sēņu un mikroorganismu sugu, kas apdzīvo mūsu planētu. Turklāt ir aprakstīti tikai aptuveni 20% no tiem, un tas ir 1,5 miljoni mums zināmo sugu. Dzīvie organismi ir apdzīvojuši visas planētas ekoloģiskās nišas. Biosfērā nav vietas, kur nebūtu dzīvības. Vulkānu atverēs un Everesta virsotnē - visur mēs atrodam dzīvību tās dažādās izpausmēs. Un, bez šaubām, daba ir parādā šādu daudzveidību un izplatību, jo evolūcijas procesā parādās siltasiņu parādība (homeotermiskie organismi).
Dzīves robeža ir temperatūra
Dzīvības pamats ir organisma vielmaiņa, kas atkarīga no ķīmisko procesu ātruma un rakstura. BETšīs ķīmiskās reakcijas ir iespējamas tikai noteiktā temperatūras diapazonā, ar saviem indikatoriem un iedarbības ilgumu. Lielākam skaitam organismu par vides temperatūras režīma robežrādītājiem uzskata no 0 līdz +50 grādiem pēc Celsija.
Bet tas ir spekulatīvs secinājums. Precīzāk būtu teikt, ka dzīvības temperatūras robežas būs tādas, pie kurām nenotiek olb altumvielu denaturācija, kā arī neatgriezeniskas izmaiņas šūnu citoplazmas koloidālajās īpašībās, dzīvībai svarīgo enzīmu aktivitātes pārkāpums. Un daudzi organismi ir attīstījuši ļoti specializētas enzīmu sistēmas, kas ļāvušas tiem dzīvot apstākļos, kas ievērojami pārsniedz šīs robežas.
Vides klasifikācija
Optimālās dzīvības temperatūras robežas nosaka dzīvības formu sadalījumu uz planētas divās grupās – kriofīlos un termofilos. Pirmā grupa dod priekšroku aukstumam uz mūžu un ir specializējusies uz mūžu šādos apstākļos. Vairāk nekā 80% planētas biosfēras ir auksti reģioni ar vidējo temperatūru +5 °C. Tie ir okeānu dziļumi, Arktikas un Antarktikas tuksneši, tundra un augstienes. Paaugstinātu aukstumizturību nodrošina bioķīmiskie pielāgojumi.
Kriofilu fermentatīvā sistēma efektīvi pazemina bioloģisko molekulu aktivācijas enerģiju un uztur vielmaiņu šūnā temperatūrā, kas ir tuvu 0 °C. Tajā pašā laikā adaptācijas notiek divos virzienos - pretestības (opozīcijas) vai tolerances (pretestības) pret aukstumu iegūšanā. Ekoloģiskā termofilu grupa ir organismi, kas ir optimālikuru dzīve ir augstas temperatūras zonas. Viņu dzīves aktivitāti nodrošina arī bioķīmisko adaptāciju specializācija. Ir vērts pieminēt, ka līdz ar ķermeņa organizācijas sarežģītību samazinās tā spēja pret termofiliju.
Ķermeņa temperatūra
Siltuma līdzsvars dzīvā sistēmā ir tā ieplūdes un aizplūšanas kopums. Organismu ķermeņa temperatūra ir atkarīga no apkārtējās vides temperatūras (eksogēnais siltums). Turklāt obligāts dzīvības atribūts ir endogēnais siltums – iekšējās vielmaiņas produkts (oksidācijas procesi un adenozīntrifosforskābes sadalīšanās). Lielākās daļas sugu dzīvībai svarīgā aktivitāte uz mūsu planētas ir atkarīga no eksogēnā siltuma, un to ķermeņa temperatūra ir atkarīga no apkārtējās vides temperatūras gaitas. Tie ir poikilotermiski organismi (poikilos - dažādi), kuros ķermeņa temperatūra ir mainīga.
Poikilotermi ir visi mikroorganismi, sēnes, augi, bezmugurkaulnieki un lielākā daļa hordātu. Un tikai divas mugurkaulnieku grupas - putni un zīdītāji - ir homoiotermiski organismi (homoios - līdzīgi). Viņi uztur nemainīgu ķermeņa temperatūru neatkarīgi no apkārtējās vides temperatūras. Tos sauc arī par siltasiņu dzīvniekiem. To galvenā atšķirība ir spēcīga iekšējā siltuma plūsma un termoregulācijas mehānismu sistēma. Tā rezultātā homoiotermiskajos organismos visi fizioloģiskie procesi notiek optimālā un nemainīgā temperatūrā.
Patiesa un nepatiesa
Dažas poikilotermastādiem organismiem kā zivis un adatādaiņi arī ir nemainīga ķermeņa temperatūra. Viņi dzīvo nemainīgas ārējās temperatūras apstākļos (okeāna vai alu dziļumos), kur apkārtējās vides temperatūra nemainās. Tos sauc par viltus homoiotermiskiem organismiem. Daudziem dzīvniekiem, kas piedzīvo ziemas miegu vai īslaicīgu vētru, ķermeņa temperatūra ir mainīga. Šos patiesi homoiotermiskos organismus (piemēri: murkšķi, sikspārņi, eži, sikspārņi un citi) sauc par heterotermiskiem.
Dārgā aromorfoze
Homiotermijas parādīšanās dzīvās būtnēs ir ļoti enerģiju patērējošs evolūcijas process. Zinātnieki joprojām strīdas par šo progresīvo struktūras izmaiņu izcelsmi, kas izraisīja organizācijas līmeņa paaugstināšanos. Ir ierosinātas daudzas teorijas par siltasiņu organismu izcelsmi. Daži pētnieki pieļauj, ka šī īpašība varētu būt pat dinozauriem. Bet, neskatoties uz visām zinātnieku domstarpībām, viens ir skaidrs: homoiotermisko organismu parādīšanās ir bioenerģētiska parādība. Un dzīvības formu komplikācija ir saistīta ar siltuma pārneses mehānismu funkcionālo uzlabošanos.
Temperatūras kompensācija
Dažu poikilotermisko organismu spēja uzturēt nemainīgu vielmaiņas procesu līmeni plašā ķermeņa temperatūras izmaiņu diapazonā tiek nodrošināta ar bioķīmiskiem pielāgojumiem, un to sauc par temperatūras kompensāciju. Tas ir balstīts uz dažu enzīmu spēju mainīt savu konfigurāciju, pazeminoties temperatūrai un palielināt to afinitāti ar substrātu, palielinot reakciju ātrumu. Piemēram, gliemenēs gliemenesBarenca jūrā skābekļa patēriņš nav atkarīgs no apkārtējās vides temperatūras, kas svārstās no 25 °C (+5 līdz +30 °C).
Starpformas
Evolūcijas biologi ir atraduši tos pašus pārejas formu pārstāvjus no poikilotermiskajiem uz siltasiņu zīdītājiem. Kanādas biologi no Broka universitātes ir atklājuši sezonālu siltasiņu Argentīnas melnb altajā tegu (Alvator merianae). Šī gandrīz metru ķirzaka dzīvo Dienvidamerikā. Tāpat kā lielākā daļa rāpuļu, tegu dienas laikā gozējas saulē, bet naktī slēpjas urvos un alās, kur tas atdziest. Bet vaislas sezonā no septembra līdz oktobrim strauji palielinās tegu temperatūra, elpošanas ātrums un sirds kontrakciju ritms no rīta. Ķirzakas ķermeņa temperatūra var par desmit grādiem pārsniegt temperatūru alā. Tas pierāda formu pāreju no aukstasiņu dzīvniekiem uz homoiotermiskiem dzīvniekiem.
Termoregulācijas mehānismi
Homoiotermiskie organismi vienmēr strādā, lai nodrošinātu galveno sistēmu - asinsrites, elpošanas, ekskrēcijas - darbību, radot minimālu siltuma ražošanu. Šo miera stāvoklī radīto minimumu sauc par bazālo metabolismu. Pāreja uz aktīvo stāvokli siltasiņu dzīvniekiem palielina siltuma ražošanu, un tiem ir nepieciešami mehānismi siltuma pārneses palielināšanai, lai novērstu olb altumvielu denaturāciju.
Šo procesu līdzsvara sasniegšanas procesu nodrošina ķīmiskā un fizikālā termoregulācija. Šie mehānismi nodrošina homoiotermisko organismu aizsardzību no zemas temperatūras unpārkaršana. Pastāvīgas ķermeņa temperatūras uzturēšanas mehānismiem (ķīmiskā un fiziskā termoregulācija) ir dažādi avoti, un tie ir ļoti dažādi.
Ķīmiskā termoregulācija
Reaģējot uz vides temperatūras pazemināšanos, siltasiņu dzīvnieki refleksīvi palielina endogēnā siltuma ražošanu. Tas tiek panākts, palielinot oksidatīvos procesus, īpaši muskuļu audos. Nekoordinēta muskuļu kontrakcija (trīce) un termoregulācijas tonuss ir pirmie siltuma ražošanas pieauguma posmi. Tajā pašā laikā palielinās lipīdu metabolisms, un taukaudi kļūst par atslēgu labākai termoregulācijai. Zīdītājiem aukstā klimatā ir pat brūnie tauki, kuru oksidēšanās rezultātā viss siltums nonāk ķermeņa sasilšanai. Šiem enerģijas izdevumiem dzīvniekam ir jāpatērē liels daudzums barības vai jābūt ievērojamām tauku rezervēm. Tā kā šo resursu trūkst, ķīmiskajai termoregulācijai ir savas robežas.
Fizikālās termoregulācijas mehānismi
Šis termoregulācijas veids neprasa papildu izmaksas siltuma ražošanai, bet tiek veikta, saglabājot endogēno siltumu. To veic ar iztvaikošanu (svīšanu), starojumu (radiāciju), siltuma vadīšanu (vadītspēju) un ādas konvekciju. Fizikālās termoregulācijas metodes ir attīstījušās evolūcijas gaitā un kļūst arvien pilnīgākas, pētot filoģenētisko sēriju no kukaiņēdājiem un sikspārņiem līdz zīdītājiem.
Šādas regulēšanas piemērs ir ādas asins kapilāru sašaurināšanās vai paplašināšanās, kas maināssiltumvadītspēja, kažokādu un spalvu siltumizolācijas īpašības, pretplūsmas asins siltuma apmaiņa starp virspusējiem un iekšējo orgānu traukiem. Siltuma izkliedi regulē kažokādas apmatojuma un spalvu slīpums, starp kuriem tiek uzturēta gaisa sprauga.
Jūras zīdītājiem zemādas tauki tiek sadalīti pa visu ķermeni, aizsargājot iekšējo siltumu. Piemēram, roņos šāds tauku maiss sasniedz līdz 50% no kopējā svara. Tāpēc sniegs zem uz ledus guļošajiem roņiem nekūst stundām ilgi. Dzīvniekiem, kas dzīvo karstā klimatā, vienmērīgs ķermeņa tauku sadalījums pa visu ķermeņa virsmu būtu nāvējošs. Tāpēc to tauki uzkrājas tikai atsevišķās ķermeņa daļās (kamieļa kupris, aitas resnā aste), kas netraucē iztvaikot no visas ķermeņa virsmas. Turklāt ziemeļu aukstā klimata dzīvniekiem ir īpaši taukaudi (brūnie tauki), kas pilnībā tiek izmantoti ķermeņa sildīšanai.
Vairāk dienvidu - lielākas ausis un garākas kājas
Dažādas ķermeņa daļas siltuma pārneses ziņā nebūt nav līdzvērtīgas. Lai uzturētu siltuma pārnesi, svarīga ir ķermeņa virsmas un tā tilpuma attiecība, jo iekšējā siltuma tilpums ir atkarīgs no ķermeņa masas, un siltuma pārnese notiek caur ādu. Izvirzītajām ķermeņa daļām ir liela virsma, kas ir piemērota karstam klimatam, kur siltasiņu dzīvniekiem ir nepieciešama liela siltuma pārnese. Piemēram, lielas ausis ar daudziem asinsvadiem, garām ekstremitātēm un asti ir raksturīgas karstā klimata iedzīvotājiem (zilonis, feneka lapsa, afrikānisgarausu jerboa). Aukstos apstākļos adaptācija notiek tā, kā tiek ietaupīts laukums līdz apjomam (roņu ausis un aste).
Siltasiņu dzīvniekiem ir vēl viens likums - jo tālāk uz ziemeļiem dzīvo vienas filoģenētiskās grupas pārstāvji, jo tie ir lielāki. Un tas ir saistīts arī ar iztvaikošanas virsmas tilpuma un attiecīgi siltuma zudumu un dzīvnieka masas attiecību.
Etoloģija un siltuma pārnese
Uzvedības īpatnībām ir arī liela nozīme siltuma pārneses procesos gan poikilotermiskiem, gan homeotermiskiem dzīvniekiem. Tas ietver gan stājas izmaiņas, gan patversmju celtniecību, gan dažādas migrācijas. Jo lielāks ir cauruma dziļums, jo vienmērīgāka ir temperatūras gaita. Vidējos platuma grādos 1,5 metru dziļumā sezonālās temperatūras svārstības ir nemanāmas.
Grupas uzvedība tiek izmantota arī termoregulācijai. Tātad, pingvīni saspiežas kopā, cieši pieķērušies viens otram. Kaudzītes iekšpusē temperatūra ir tuvu pingvīnu ķermeņa temperatūrai (+37 ° C) pat vissmagākajā salnā. Kamieļi dara to pašu - grupas centrā temperatūra ir aptuveni +39 °C, un visattālāko dzīvnieku kažokādas var uzkarst līdz +70 °C.
Hibernācija ir īpaša stratēģija
Torpid stāvoklis (stupors) jeb hibernācija ir īpašas siltasiņu dzīvnieku stratēģijas, kas ļauj izmantot ķermeņa temperatūras izmaiņas adaptācijas nolūkos. Šajā stāvoklī dzīvnieki pārstāj uzturēt ķermeņa temperatūru un samazina to gandrīz līdz nullei. Hibernācijai raksturīgs vielmaiņas ātruma samazināšanās unuzkrāto resursu patēriņš. Tas ir labi regulēts fizioloģisks stāvoklis, kad termoregulācijas mehānismi pārslēdzas uz zemāku līmeni - sirdsdarbība samazinās (piemēram, guļampelei no 450 līdz 35 sitieniem minūtē), skābekļa patēriņš samazinās 20-100 reizes.
Pamošanās prasa enerģiju un notiek pašizsilstot, ko nevajadzētu jaukt ar aukstasiņu dzīvnieku stuporu, kur to izraisa apkārtējās vides temperatūras pazemināšanās un ir stāvoklis, ko neregulē pats ķermenis (pamošanās). notiek ārējo faktoru ietekmē).
Stupors ir arī regulēts stāvoklis, taču ķermeņa temperatūra pazeminās tikai par dažiem grādiem un bieži vien pavada diennakts ritmus. Piemēram, kolibri kļūst nejūtīgi naktī, kad viņu ķermeņa temperatūra pazeminās no 40°C līdz 18°C. Ir daudz pāreju starp vētru un ziemas guļas stāvokli. Tātad, lai gan mēs saucam lāču miegu ziemas guļas stāvoklī, patiesībā viņu vielmaiņa nedaudz samazinās, un viņu ķermeņa temperatūra pazeminās tikai par 3–6 ° C. Šādā stāvoklī lācis dzemdē mazuļus.
Kāpēc ūdens vidē ir maz homoiotermisku organismu
Starp hidrobiontiem (ūdens vidē dzīvojošiem organismiem) ir maz siltasiņu dzīvnieku pārstāvju. Vaļi, delfīni, kažokādas roņi ir sekundāri ūdensdzīvnieki, kas ir atgriezušies ūdens vidē no sauszemes. Siltasinība galvenokārt ir saistīta ar vielmaiņas procesu palielināšanos, kuras pamatā ir oksidācijas reakcijas. Un skābeklim šeit ir galvenā loma. Un, kā jūs zināt, iekšāūdens vidē skābekļa saturs nav lielāks par 1 % pēc tilpuma. Skābekļa difūzija ūdenī ir tūkstošiem reižu mazāka nekā gaisā, kas padara to vēl mazāk pieejamu. Turklāt, paaugstinoties temperatūrai un bagātinot ūdeni ar organiskiem savienojumiem, skābekļa saturs samazinās. Tas viss padara liela skaita siltasiņu organismu eksistenci ūdens vidē enerģētiski nelabvēlīgu.
Prusi un mīnusi
Siltasiņu dzīvnieku galvenā priekšrocība salīdzinājumā ar aukstasiņu dzīvniekiem ir viņu gatavība rīkoties neatkarīgi no apkārtējās vides temperatūras. Šī ir iespēja izturēt nakts temperatūru tuvu sasalumam un zemes ziemeļu teritoriju attīstību.
Galvenais siltasiņu trūkums ir lielais enerģijas patēriņš, lai uzturētu nemainīgu ķermeņa temperatūru. Un galvenais avots tam ir pārtika. Siltasiņu lauvai vajag desmit reizes vairāk barības nekā tāda paša svara aukstasiņu krokodilam.
