Fizyka niskich temperatur. Wpływ niskich temperatur na organizmy żywe i materię nieożywioną
Temperatura w biosferze waha się od +50°С do –50°С.
Gatunki preferujące zimno to Grupa środowiskowa kriofile. Mogą pozostać aktywne w temperaturach do –8, 10°C. Są to bakterie, grzyby, robaki, mięczaki, ryby i inne żyjące w regionach Arktyki i Antarktyki. Do tej grupy należą gatunki żyjące na obszarach o wysokich temperaturach termofile. Są to mikroorganizmy, nicienie, roztocza, larwy owadów żyjące w suchych regionach, w gorących źródłach, na zboczach wulkanów.
Zgodnie z regułą Van't Hoffa wzrost temperatury prowadzi do proporcjonalnego wzrostu szybkości reakcji dla wszystkich reakcje chemiczne. Ale w organizmach żywych procesy chemiczne zachodzą z udziałem enzymów, których aktywność zależy również od temperatury. Powstaje złożona, nieproporcjonalna zależność.
Wielkość przyspieszenia temperaturowego reakcji chemicznych wyraża się współczynnikiem Q 10, który pokazuje, ile razy zwiększa się szybkość reakcji, gdy temperatura wzrasta o 10 °C:
Q 10 = Kt+ 10/Kt;
Gdzie Kt– szybkość reakcji w temperaturze t; Kt+10 szybkość reakcji w temperaturze t+10. Q 10 dla większości reakcji chemicznych = 23.
W przypadku reakcji enzymatycznych zależność jest nieliniowa.
Próg temperatury życia (teoretycznie): górny – temperatura krzepnięcia białka (60°C); dolna – temperatura zamarzania wody (0°C). W temperaturze 0°C tworzą się kryształki lodu, które mechanicznie uszkadzają tkankę.
Odwodnienie zwiększa ten próg (zarodniki, nasiona). W organizmach złożonych śmierć cieplna następuje, gdy jest ich więcej niskie temperatury aha: 42 – 43 °C, powodem jest niedopasowanie procesów metabolicznych, ponieważ Q 10 różnych dla różnych reakcji w organizmie. Przy słabym chłodzeniu dochodzi do zaburzenia czynności serca, zmienia się rytm skurczów. W nerkach ssaków reabsorpcja kanalikowa jest hamowana w temperaturze 2023 °C. Odruchy warunkowe psy znikają w temperaturze 3027°C. Rośliny mrozoodporne wytrzymują niskie temperatury, ponieważ... Następuje sezonowa restrukturyzacja ultrastruktury komórek, stają się one odwodnione.
Na podstawie podstawowych cech wymiany ciepła wyróżnia się organizmy poikilotermiczne i homeotermiczne.
Poikilotermiczne (zmienny, zmienny) – zimnokrwisty, wszystko z wyjątkiem ptaków i ssaków. Temperatura ciała jest niestabilna, zależy od temperatury środowisko. Niski poziom metabolizm, główne źródło ciepło – ciepło zewnętrzne.
Gdy zmienia się temperatura, zmienia się również prędkość procesy metaboliczne. U roślin wchłanianie wody przez korzenie zmniejsza się o 60-70%, gdy temperatura spada z 20 do 0°C. U zwierząt i roślin wzrost temperatury powoduje wzmożone oddychanie. Czas rozwoju zależy od temperatury. Do wdrożenia programu genetycznego W trakcie rozwoju organizmy poikilotermiczne muszą otrzymać pewną ilość ciepła z zewnątrz. To ciepło jest mierzone suma efektywnych temperatur.
Efektywne temperatury nazywają temperaturę powyżej minimalnej wartości, przy której ogólnie możliwe są procesy rozwojowe; ta wartość progowa nazywana jest zerem biologicznym.
Nasiona roślin mają niski próg rozwoju (0 + 1°C), ikra szczupaka 225°C.
Sumę temperatur efektywnych oblicza się ze wzoru:
STeff = (TC)×n,
gdzie T to temperatura otoczenia, C to próg temperatury rozwoju, n to liczba godzin lub dni z temperaturą przekraczającą próg rozwoju.
Znajomość sumy efektywnych temperatur jest ważna dla prognoz upraw, dat pojawienia się szkodników itp. Na przykład w pobliżu Petersburga dla kwitnienia podbiału STeff = 77 ° C, truskawki STeff = 500 ° C, akacji żółtej STeff = 700 ° C. Dorszówka na północy Ukrainy w temperaturze STeff = 930°C daje jedno pokolenie, a na południu, gdzie STeff = 1870°C, w ciągu lata możliwe są dwa lub trzy pokolenia.
Poza zakresem temperatur, w których utrzymywane są aktywne funkcje życiowe, organizmy poikilotermiczne popadają w stan odrętwienia i zmniejsza się poziom procesów metabolicznych. W stanie pasywnym diapauza mogą tolerować silne wzrosty i spadki temperatury przez długi czas bez patologicznych konsekwencji.
Podstawą tolerancji temperatury jest odporność tkanek, oprogramowanie i silne odwodnienie.
Adaptacje temperaturowe roślin
Wyższe rośliny stref umiarkowanych są eurytermiczne. Rośliny deszczowe lasy tropikalne i kriofilowy zielony i okrzemki V lód polarny a na polach śnieżnych w górach są stenotermiczne. Rośliny lasów tropikalnych giną w temperaturach +5 ... +8 ° C i in Tajga syberyjska wytrzymuje całkowite zamrożenie (50°C).
Głównymi sposobami adaptacji roślin do zmian temperatury są zmiany fizjologiczne i morfologiczne.
W zależności od stopnia przystosowania do zimna wyróżnia się 3 grupy:
1) rośliny niemrozoodporne - ulegają uszkodzeniu i zamierają w temperaturach bliskich 0°C i wyższych. Ten lasy deszczowe, algi ciepłych mórz, trochę grzybów.
2) rośliny niemrozoodporne - tolerują niskie temperatury, ale giną, gdy tworzy się lód. Są to rośliny subtropikalne.
3) Rośliny odporne na lód lub mróz - rosną w miejscach o mroźnych zimach. Rośliny się do tego przygotowują mroźna zima: odwodnienie, nagromadzenie krioprotektantów – cukrów, aminokwasów itp.
Według stopnia przystosowania do wysokich temperatur:
1) nieodporne na ciepło – ulegają uszkodzeniu w temperaturach +30°С…+40°С. Są to glony eukariotyczne, algi kwitnące w wodzie i mezofity lądowe.
2) Eukarionty żaroodporne - rośliny siedlisk suchych, o silnym nasłonecznieniu (stepy, pustynie, sawanny), tolerują nagrzewanie się do +50°C do 30 minut.
3) Prokarioty żaroodporne - bakterie termofilne i niektóre sinice, żyjące w gorących źródłach o temperaturze +85...+90°C.
4) Pirofity – odporne na pożary. Rośliny sawanny, chaparral, mają grubą skórkę impregnowaną substancjami ognioodpornymi.
Ogólna adaptacja wraz ze wzrostem temperatury: ochłodzenie podczas parowania wilgoci, transpiracja wilgoci przez aparaty szparkowe, pionowy układ liści w stronę słońca, gładka, odbijająca światło powierzchnia liści.
Przystosowania termiczne zwierząt
Cykl rozwojowy większości zwierząt lądowych strefy umiarkowanej jest dostosowany do istnienia mroźnych zim. W tej chwili są w stanie nieaktywnym. Przede wszystkim dotyczy to owadów, które liczebnie dominują w faunie wszystkich kontynentów. Zimowy czas przeczekują, pozostając w bezruchu, zatrzymując swój rozwój, często tracąc dużo wody. Diapauza może wystąpić w różne rodzaje na różnych etapach rozwoju - jaja, larwy, poczwarki, a nawet w fazie dorosłej. Podobne formy odporności na niekorzystne warunki charakteryzują większość bezkręgowców. Nawet ryby i płazy mogą spędzić zimę w bezruchu, zakopane w błocie. Podobne zjawiska obserwuje się w klimacie tropikalnym, z tą różnicą, że najgorętszy okres w roku zwierzęta spędzają w stanie slow life, który zwykle zbiega się z największą suchością. Estywacja, czyli letnia hibernacja, jest powszechna wśród owadów i ryb. Część z nich wynika z przesuszenia środowisko naturalne siedliska wpadają w „pułapkę”. Wiele tropikalnych dżdżownice w porze suchej również przechodzą w stan estywacji. Przesuszenie gleby jest dla nich nie tylko niekorzystne, ale często wręcz katastrofalne.
Przejście w stan odrętwienia jest reakcją adaptacyjną: prawie niefunkcjonujący organizm nie jest narażony na szkodliwe działanie, nie zużywa energii, co pozwala mu przetrwać niekorzystne warunki. Wchodząc w stan odrętwienia, w organizmie stopniowo i powoli zachodzą zmiany fizjologiczne i biochemiczne.
Ryby antarktyczne są wrażliwe na wzrost temperatury (giną w temperaturze + 6 ° C), w ich tkankach gromadzi się biologiczny środek przeciw zamarzaniu - glikoproteiny, które obniżają temperaturę zamarzania wody w tkankach. Przed zimą rośliny gromadzą cukry AA, które wiążą wodę. Zmniejsza się lepkość protoplazmy i jej zawartość N 2O. Prowadzi to do obniżenia temperatury i zamarzania płynu w komórkach.
U owadów glicerol gromadzi się w hemolimfie i tkankach, co obniża punkt hipotermii do –27...39 °C. Krystalizacja w komórkach rozpoczyna się dopiero w temperaturze – 60°C.
Środek przeciw zamarzaniu: gliceryna, monosacharydy, białka, glikogen (krioprotektory).
Odwodnienie: odwodnienie wrotka do – 190 °C.
Termoregulacja: wraz ze spadkiem temperatury: na skutek aktywności mięśni (owady latające, wąż wokół lęgu jaj, u pszczół – regulacja społeczna – trzepotanie skrzydeł, razem, u pszczół samotnych zwiększone spożycie) O 2. Zwierzęta oddychają szybko; żółwie - parowanie śliny, którą zwilżają powierzchnię skóry głowy, kończyn przednich, rozpylając mocz na końce tylnych kończyn.
Zachowanie adaptacyjne: wybór miejsca o najkorzystniejszym mikroklimacie i zmiana pozycji (od słoneczne miejsca w cień). Krab wykazujący pozytywną fototaksję schodzi do płytkiej wody (woda jest podgrzewana przez słońce), w czasie upałów schodzi na głębokość i chowa się w norach. Jaszczurka zakopuje się w piasku.
Homeotermiczny (Greckie homoios – identyczny, podobny ) Są to ptaki i ssaki (stałocieplne).
Zachowując wewnętrzną stałość, temperatura ciała jest stała, gdy zmienia się temperatura otoczenia. Homeostaza termiczna jest nieodłączna. Homeostaza to stan dynamicznej równowagi między organizmem a środowiskiem, w którym organizm zachowuje swoje właściwości i zdolność do wykonywania funkcji życiowych na tle zmieniających się warunków zewnętrznych. Wysoki poziom metabolizm: dobowy metabolizm węża wynosi 32 J/kg, świstaka 120 J/kg, królika 180 J/kg.
Znaczenie ogrzewania zewnętrznego jest niewielkie, żyją one z wewnętrznego ciepła uwalnianego podczas egzotermicznych reakcji biochemicznych. Organizmy endotermiczne. Dla mężczyzny o średniej masie ciała i średnim wzroście potrzeba dziennie ~8000 kJ.
Temperatura ciała: u ptaków 41°C, u gryzoni 3539°C, u kopytnych 35 – 39°C.
Mechanizmy termoregulacji:
1. Termoregulacja chemiczna - ciepło reakcji metabolicznych. Wątroba aktywnie wytwarza ciepło i mięśnie szkieletowe. Produkcja ciepła jest regulowana temperaturą otoczenia i hormonami (tyroksyna zwiększa szybkość reakcji metabolicznych).
2. Ton termoregulacyjny - pod wpływem impulsów nerwowych. Mikroskurcze włókienek – dreszcze z zimna. Wymiana gazowa wzrasta o 300 – 400°C. Zacieranie rąk, tupanie nogami, ćwiczenia fizyczne zwiększyć tempo przemiany materii, wzrasta temperatura ciała.
2. Utlenianie brunatnej tkanki tłuszczowej (pod skórą, na szyi, klatce piersiowej). Ważne dla zwierząt zapadających w sen zimowy.
3. Fizyczne t/r - osłony termoizolacyjne (pióra, sierść, tłuszcz podskórny).
Mechanizmy wymiany ciepła: przewodność cieplna, konwekcja, promieniowanie, parowanie.
Przenikanie ciepła zależy od D t = t ok – T ciała.
1. Odparowanie wilgoci z powierzchni ciała, pocenie się. Zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury otoczenia i wzrostem temperatury ciała. Zwierzęta z płaszcz lizać ciało. Odparowanie wilgoci z powierzchni błon śluzowych jamy ustnej, górnej drogi oddechowe. Szybki, płytki oddech – polipnoza. Psy w rui 300400 oddechów na minutę przy normie 2040 oddechów na minutę. Ptaki charakteryzują się drżeniem gardła - ruchami oscylacyjnymi dolnej części szyi (wentylacja dróg oddechowych).
2. Reakcje naczyniowe - rozszerzanie małych naczyń znajdujących się blisko powierzchni (zwiększa się oddawanie ciepła do środowiska zewnętrznego), ucisk naczyń powierzchownych i rozszerzanie naczyń głębokich (zachowanie ciepła w organizmie). Bardzo ważne mają odcinki dróg oddechowych z rozwiniętą siecią naczynia krwionośne– przewody nosowe ssaków. Wdychane powietrze nagrzewa się, ściany nosa ochładzają się, a wydech jest procesem odwrotnym (odwrotnie). U kurcząt grzebień jest obszarem termoregulacji naczyniowej (temperatura grzebienia jest niższa, Var). Pocenie się jest skutkiem wzrostu temperatury wewnątrz organizmu. Jeśli pijesz zimna woda, schładzają tętnice szyjne, pocenie się zmniejsza. Ponieważ krew dostaje się do podwzgórza z tętnic szyjnych, oznacza to ważna rola w termoregulacji. Informacje o temperaturze otoczenia docierają do podwzgórza z receptorów zimna i ciepła znajdujących się na skórze. Receptory skóry są detektorami zakłóceń zewnętrznych. Receptory generują impulsy, niektóre trafiają do podwzgórza, inne do kory mózgowej.
W niektórych chorobach temperatura ciała wzrasta, ponieważ... Termostat jest ustawiony na wyższą temperaturę. To ustawienie jest spowodowane przez pirogeny (na przykład toksyny drobnoustrojów, substancje wydzielane przez neutrofile we krwi). Wzrost temperatury pobudza reakcje obronne organizm, sprzyja niszczeniu czynników chorobotwórczych. Aspiryna obniża nastawę temperatury, łagodzi objawy stanu gorączkowego, ale jednocześnie spowalnia reakcje obronne.
Reakcja adaptacyjna – wybór optymalnej lokalizacji, zamknięcie skupisk grupowych. Noc, zimowanie pod śniegiem. Budowa gniazd, nor.
Odwracalna hipotermia - hibernacja (nieregularne odrętwienie, dzienne i sezonowe). Estywacja to letnia hibernacja.
Przystosowanie do ekstremalnych warunków klimatycznych.
Reguła Bergmana : W obrębie gatunku lub dość jednorodnej grupy blisko spokrewnionych gatunków zwierzęta o większych rozmiarach ciała występują w chłodniejszych obszarach. Oznacza to, że zwierzęta żyjące w zimnych obszarach (wieloryby, niedźwiedzie polarne) Posiadać duże rozmiary, a w krajach gorących – małe. Wyjątki: małe zwierzęta arktyczne mają duży apetyt, małe kończyny hibernują, a duże zwierzęta gorących krajów (słonie, hipopotamy; słonie mają duże uszy klaśnięcie w nie zwiększa wymianę ciepła. Hipopotam przemieszcza się z lądu do wody i odwrotnie. Zasada ta jest zgodna z prostymi rozważaniami termodynamicznymi. Powierzchnia ciała zwierzęcia jest proporcjonalna do kwadratu jego wielkości, natomiast objętość jest proporcjonalna do sześcianu jego wielkości. Strata ciepła jest proporcjonalna do powierzchni ciała, a zatem im większa, tym większy jest stosunek powierzchni ciała do jego objętości, tj. im mniejsze jest ciało zwierzęcia. Im większe zwierzę i bardziej zwarty kształt jego ciała, tym łatwiej jest je utrzymać stała temperatura; im mniejsze zwierzę, tym wyższa jego podstawowa przemiana materii. Często przytaczanym przykładem są zamieszkujące je pingwiny półkula południowa. Największy z nich, pingwin królewski, gniazduje na kontynencie Antarktydy i zamieszkuje obszary przybrzeżne; Najmniejszy z nich, pingwin Galopagos, żyje na równiku. Tak naprawdę jednak nie wszystkie gatunki pingwinów porównanie parami potwierdź tę zasadę. Więc, średni rozmiar osobniki w populacjach maskonurów Fratercula arctica, szacowana najdogodniej na podstawie długości skrzydła, stopniowo maleje w kierunku z północy na południe - od 18,5 cm na Spitsbergenie do 14 cm na Majorce.
Reguła Allena: Gatunki żyjące w zimnym klimacie mają mniejsze przydatki (uszy, nos) niż krewni z cieplejszego klimatu. Zasada ta jest szczególnym przypadkiem poprzedniej. Przydatki ciała (uszy, ogony, łapy) są krótsze, a ciało bardziej masywne chłodniejszy klimat. Dobry przykład może służyć jako lis: fenek saharyjski ma długie kończyny i ogromne uszy; lis kraje europejskie bardziej przysadzista, a jej uszy są znacznie krótsze; Lis polarny żyjący w Arktyce ma bardzo małe uszy i krótką kufę.
Temperatura jest najważniejszym czynnikiem ograniczającym. Granice tolerancji dla każdego gatunku wynoszą maksymalny I minimalna temperatura śmiertelna. Poza kilkoma wyjątkowymi wyjątkami, wszystkie żywe organizmy mogą żyć w temperaturach od 0 do 50°C, ze względu na właściwości protoplazmy komórek.
W optymalnym zakresie temperatur organizmy czują się komfortowo, aktywnie się rozmnażają, a populacja rośnie. Skrajne części zakresu tolerancji temperatury to obszary o zmniejszonej aktywności życiowej - organizmy czują się przygnębione. Jeśli temperatura przekroczy zakres tolerancji, organizmy wchodzą do strefy śmierci i giną.
Procesy adaptacyjne u zwierząt w zależności od temperatury doprowadziły do pojawienia się zwierząt, których temperatura ciała zmienia się wraz ze zmianami temperatury otoczenia ( poikilotermiczne zwierzęta) oraz zwierzęta o stałej temperaturze ciała niezależnej od temperatury otoczenie zewnętrzne (homeotermiczny Zwierząt). Do pierwszych zalicza się płazy, gady, owady itp., do drugich zalicza się ssaki (w tym człowieka) o temperaturze ciała 36 – 37C oraz ptaki o temperaturze ciała około 40C.
Aktywne życie Tylko zwierzęta homeotermiczne mogą przetrwać w temperaturach ujemnych. Chociaż poikilotermy mogą wytrzymać znaczne ujemne temperatury, tracą mobilność. Temperatura około +40С, choć niższa od temperatury krzepnięcia białek, jest granicą dla większości zwierząt.
Nie mniej ważną rolę w życiu roślin odgrywa temperatura. Gdy temperatura wzrośnie o 10, intensywność fotosyntezy podwaja się, ale tylko do +30 - 35C, następnie jej intensywność spada, a w temperaturze +40 - 45C fotosynteza zatrzymuje się całkowicie. Najwyżej przy 50С Rośliny lądowe die, co wiąże się z nasileniem oddychania roślin wraz ze wzrostem temperatury, a następnie jego ustaniem w temperaturze 50°C. Temperatura wpływa także na przebieg odżywiania korzeni roślin: proces ten jest możliwy tylko wtedy, gdy temperatura gleby w obszarach ssących jest o kilka stopni niższa od temperatury części nadziemnej rośliny.
Istnieć morfologiczne I fizjologiczny ze swej natury sposoby przystosowania organizmów żywych do wysokich lub niskich temperatur. Jako przykłady morfologicznej metody adaptacji u roślin można wymienić, że u niektórych gatunków roślin pąki pozostają nad powierzchnią pokrywy śnieżnej, dzięki czemu są chronione przed mrozem przez łuski powłokowe. Inne rośliny tracą zimą całą nadziemną masę roślinną i chowają pąki w bulwach, cebulach lub kłączach, inne to rośliny jednoroczne, które wymierają wraz z nadejściem chłodów; przeżywają tylko ich nasiona lub zarodniki.
Przykładem adaptacji morfologicznej do warunków temperaturowych u zwierząt jest tzw. Reguła Bergmana: U zwierząt stałocieplnych średnia wielkość ciała osobników jest większa w populacjach żyjących w chłodniejszych częściach zasięgu gatunku.
Ale w życiu zwierząt jest wiele duża rola gra adaptacja fizjologiczna do warunków temperaturowych, czego najprostszym przykładem jest aklimatyzacja- fizjologiczna adaptacja do zbyt wysokich temperatur lub zimna. Na przykład, aby zwalczyć przegrzanie u wielu zwierząt, stosuje się zwiększenie parowania z powierzchni ciała; Walka z hipotermią u zwierząt poikilotermicznych odbywa się poprzez częściowe odwodnienie organizmu lub nagromadzenie specjalnych substancji obniżających temperaturę zamarzania wody.
Bardziej radykalnymi formami ochrony przed zimnem są migracje do cieplejszych klimatów lub hibernacja okres zimowy. W tym drugim przypadku temperatura ciała spada niemal do zera, następuje natomiast spowolnienie metabolizmu, a co za tym idzie – spożycia składników odżywczych.
Większość zwierząt jest w stanie nieaktywnym zimą, a owady są na ogół nieruchome, kiedy zatrzymuje się wszelki rozwój. Zjawisko to nazywa się diapauza.
Ale wiele zwierząt w umiarkowanych szerokościach geograficznych prowadzi zimą aktywny tryb życia (wilki, jelenie, zające), a niektóre nawet rozmnażają się (pingwiny królewskie).
Białko jest niezbędnym składnikiem organizmów żywych. Białka ulegają denaturacji w temperaturze powyżej 45°C i zamarzają w temperaturze 0°C, co zakłóca procesy życiowe. Zatem teoretycznie życie jest możliwe tylko w ograniczonym zakresie temperatur - od 0°C do 45°C. Jednak na pustyni temperatura powietrza może wzrosnąć do 65°C i istnieje tam życie. niemniej jednak możliwe. W Arktyce i Antarktyce temperatura zimą spada do -55°C, na biegunie północnym - czasami do -65°C, jednak żyją tam również wysoko rozwinięte organizmy żywe. Życie w tak ekstremalnych warunkach jest możliwe, ponieważ organizmy w procesie ewolucji wykształciły system termoregulacji, który zapewnia utrzymanie temperatury ciała nawet przy znacznych zmianach temperatury otoczenia.
Podajmy kilka przykładów. Gryzonie pustynne w upalne dni chowają się w głębokich norach pod ziemią, a na powierzchnię wypełzają głównie nocą, gdy temperatura otoczenia spada poniżej +20°C. U zwierząt polarnych (niedźwiedzie polarne, lisy polarne), a także u ludzi korzystających z futra tych zwierząt, przenikanie ciepła do otoczenia jest niewielkie już przy -40°C.
Osoba przebywająca w saunie suchej wytwarza do 2 litrów potu na godzinę i pomimo wysokiej temperatury otoczenia traci ponad 4000 kilodżuli ciepła w wyniku odparowania wilgoci. Komfortowa temperatura dla nagiej osoby wynosi około +28°C. W ekstremalnych warunkach temperaturowych człowiek tworzy optymalny mikroklimat dobierając odpowiednią odzież, ogrzewając pomieszczenia itp. Eskimosi, stosując tradycyjne podejście, są w stanie stworzyć dla siebie subtropikalny mikroklimat. Należy stwierdzić, że człowiek dzięki postępowi technologicznemu i doświadczeniu osiągnął niemal najwyższą formę zachowań termoregulacyjnych wszystkich istot żywych.
Ze względu na procesy adaptacyjne zakres temperatur, w którym możliwa jest optymalna wydajność zwierząt, znacznie się różni. Na przykład dla bydła temperatura otoczenia wynosząca około 23°C jest stresem termicznym, który może prowadzić do znacznego zmniejszenia produkcji mleka, podczas gdy zebry tolerują temperatury około 32°C. Istnieją różne mechanizmy zapewniające idealne przystosowanie się do wysokich temperatur otoczenia. Dzięki temu krótkie, cienkie i jasne włosy dobrze odbijają promienie widma termicznego słońca. Jedzenie zwiększa zużycie energii i intensywność wytwarzania ciepła, co wpływa na ilość i jakość mleka. Z drugiej strony kiedy wysoka temperatura Dobrze wykorzystywane są niestrawne, grubowłókniste produkty spożywcze. Dzieje się tak, gdy brakuje wody lub żywność zawiera nadmierną ilość soli. W takich sytuacjach przez nerki i przewód pokarmowy przy dość dużym wydzielaniu potu wydziela się dużo wody. Dzięki długim, smukłym kończynom, dużym uszom i dobrze zaopatrzonym fałdom skóry w okolicy szyi wystarczająca ilość ciepła może zostać uwolniona do otoczenia poprzez zmianę transportu i przewodzenia ciepła. Dzięki temu neutralizowany jest wpływ podwyższonej temperatury otoczenia na temperaturę ciała.
Układy regulujące temperaturę ciała u kręgowców kształtują się we wczesnej fazie rozwoju filogenetycznego. Ich ciągła optymalizacja prowadzi do poprawy warunków życia zwierząt i odpowiedniego rozwoju poziomu metabolicznego.
Stała temperatura ciała u ssaków stworzyła warunki do stabilnego funkcjonowania centralnego system nerwowy, a to zapewniło wyższość tej grupy zwierząt nad innymi gatunkami istot żywych. W tym sensie poprawę regulacji temperatury można uznać za część historii ewolucji
Wpływ temperatury wpływa na procesy życiowe
Formy życia na Ziemi są wynikiem procesów chemicznych zachodzących w komórkach zwierzęcych i roślinnych. W procesie ewolucji w organizmach na różnych poziomach rozwoju ukształtowały się struktury hierarchiczne, które jednoczyły procesy funkcjonalne w określonych układach i ostatecznie zapewniały utrzymanie życia. Tylko przy analizie procesów życiowych różne poziomy- molekularny, komórkowy, narządowy, ogólnoustrojowy, cały organizm - można zrozumieć znaczenie procesów termoregulacyjnych. Jak w społeczeństwo Nie da się ocenić na podstawie zachowań poszczególnych obywateli na temat złożonych, zmieniających się relacji pomiędzy instytucjami, organizacjami i strukturami państwa, a patrząc żywa komórka pod mikroskopem nie da się wyobrazić sobie kształtu (typu, obrazu) zwierzęcia pochodzącego z takich komórek. Nie da się także ocenić budowy i funkcji pojedynczego układu narządów wyłącznie na podstawie reakcji biochemicznych.
Rozważania te wyraźnie potwierdza ten przykład. Przekonująco udowodniono szczególne znaczenie jonów wapnia w procesach funkcjonalnych ptaków i ssaków. Istnieją systemy regulacyjne, które zapewniają ścisłą stałość stężenia jonów wapnia w osoczu krwi. Korzystając z wiedzy, że jony wapnia zawarte w niektórych strukturach komórek mięśniowych, a mianowicie w siateczce sarkoplazmatycznej, są uwalniane w momencie powstania i rozprzestrzeniania się wzbudzenia, sprzyjając skracaniu miofibryli, możemy stwierdzić, że proces ten odgrywa rolę kluczowa rola podczas procesu skurczu mięśni. Jednak zawsze pozostaje niejasne, jakie reakcje behawioralne u zwierząt mogą powodować te skurcze i jakie procesy adaptacyjne z udziałem jonów wapnia powstają w organizmie w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne.
Zatem możemy podsumować. Aby przeanalizować zjawisko życia, ważne jest zarówno badanie procesów behawioralnych, jak i badanie metabolizmu wapnia w oddzielnej organelli komórkowej. Można zauważyć, że reakcje zachodzące na wysokim poziomie funkcjonalnym czasami uzyskują nowy poziom jakościowy i nie zawsze stanowią sumę arytmetyczną procesów zachodzących na niższym poziomie, mimo że reakcje wymiany zawsze są zdeterminowane interakcjami na poziomie molekularnym. Oznacza to, że wszystkie procesy życiowe zachodzące na każdym z poziomów funkcjonalnych są zawsze ze sobą powiązane i zależą od zależnych od temperatury procesów chemicznych i biologicznych.
Jeśli podniesie się temperaturę w organizmie zwierzęcia o 10°K, teoretycznie szybkość reakcji procesów metabolicznych wzrasta od 2 do 4 razy. Oznacza to wzrost szybkości procesów w probówce, a nie w żywym organizmie. Biochemiczne reakcje metaboliczne są katalizowane przez enzymy, a aktywność enzymatyczna zależy od temperatury otoczenia. Zatem bez uwzględnienia wpływu innych czynników środowiska fizycznego można modyfikować procesy życiowe poprzez zmianę temperatury.
Życie zwierząt jest możliwe tylko w ograniczonym zakresie temperatur. Spadek temperatury ogniwa poniżej 0°C prowadzi do zamarzania wody komórkowej. Konsekwencją krystalizacji wody są zmiany funkcjonalne w błonie komórkowej, ponadto wszelkie reakcje biochemiczne ulegają znacznemu zahamowaniu lub stłumieniu. Podniesienie temperatury w komórkach do wartości od 44 do 45°C prowadzi do denaturacji większości białek, a to prowadzi do śmierci zwierzęcia. Mimo to zwierzęta przystosowały się i żyją we wszystkich strefy klimatyczne grunt. Stało się to faktem, gdyż już na wczesnych etapach ewolucji ukształtowały się systemy regulujące temperaturę ciała zwierząt i pozwalające zwierzętom na utrzymanie jej optymalnych wartości, różniących się od temperatury otoczenia oraz zapewniające przebieg niezbędnych procesów biochemicznych w określonych obszarach. warunki klimatyczne każdego biotopu.
Wszystkie żyjące gatunki zwierząt potrafią mniej lub bardziej dobrze regulować temperaturę ciała. Stało się to możliwe dzięki powstaniu w procesie selekcji wysoce skutecznych systemów regulujących temperaturę, których znaczenie jest niezwykle duże dla procesów ewolucyjnych, ponieważ temperatura ciała odbiegająca od optymalnej może mieć wyraźny wpływ na procesy życiowe. Zatem odstęp między pokoleniami nowych pokoleń bakterii coli (Escherichia coli) w temperaturze około 13°C wynosi ponad trzy i pół godziny, a w temperaturze 45°C mniej niż 20 minut.
Stała temperatura ciała zapewnia organizmowi dwie oczywiste korzyści. Zapewnia stabilny przebieg wszystkich procesów metabolicznych i zapewnia możliwość kontrolowania reakcji biochemicznych poprzez zmianę stężenia substratów (bez odpowiedniego wpływu warunki temperaturowe). Oczywiste zalety biologiczne układów efektorowych regulujących temperaturę są na tyle duże, że pozwalają nawet na zwiększenie wydatku energetycznego w ramach tej regulacji.
Wpływ temperatury na życie owadów
Układy regulujące temperaturę u owadów są lepiej poznane niż u innych bezkręgowców, co z jednej strony wynika z faktu, że owady mają różnorodne zdolności termoregulacyjne. Z drugiej strony decyduje o tym niewątpliwa prostota trzymania owadów, co upraszcza warunki eksperymentalne podczas przeprowadzania eksperymentów. Większość owadów jest endotermiczna. Jednakże niektóre gatunki owadów, takie jak ćmy jastrzębie, pszczoły i trzmiele, mogą w okresie przygotowania do lotu wykazywać zachowania przypominające stworzenia endotermiczne.
Wszystkie rodzaje owadów rozwinęły kompleksowo funkcjonujące termoreceptory zlokalizowane na tułowiu, czułkach i kończynach. Ponadto w zwojach piersiowych znaleziono komórki wrażliwe na temperaturę. Na przykład w warunkach ochłodzenia drugiego i trzeciego odcinka piersiowego ćmy (Hyalophora) następuje ustanie rytmicznych ruchów mięśni zapewniających lot owada. Zamiast skoordynowanych ruchów obserwuje się chaotyczne drganie, któremu towarzyszy zgrzytający dźwięk (jak gwizdek) i przypominający z natury drżenie mięśni u stworzeń łożyskowych i ptaków. Jeśli zwoje piersiowe zostaną ponownie ogrzane optymalna temperatura, wówczas pomimo niskiej temperatury otoczenia ćma zatrzymuje drżenie mięśni i próby odlotu.
Termoreceptory owadów endotermicznych, do których zaliczają się muchy i cykady, biorą udział w koordynacji zachowań termoregulacyjnych. Dopiero wtedy pojawiają się owady aktywność silnika a temperatura ciała wzrasta do 17-20°C. W nocy popadają w odrętwienie, z którego wychodzą, gdy po wschodzie słońca temperatura powietrza zaczyna rosnąć.
Różne gatunki koników polnych ustawiają swoje ciała w poprzek kierunku promieni słonecznych, co pozwala im w większym stopniu absorbować energię słoneczną i w krótkim czasie podnieść temperaturę ciała powyżej temperatury otoczenia. W ciągu dnia zmieniają pozycję ciała i w ten sposób regulują pobieranie i oddawanie ciepła. Zmiana temperatury ciała w ciągu dnia pozwala konikom polnym rozwinąć maksymalną aktywność motoryczną.
Owady endotermiczne zwiększają wytwarzanie ciepła przed lotem na skutek rytmicznych skurczów mięśni latających, przez co wzrasta temperatura na całej powierzchni ściany klatki piersiowej, a zwłaszcza mięśni latających. Zwykle obie grupy mięśni latających (zginacze i prostowniki) kurczą się jednocześnie. Skrzydła prawie się nie poruszają lub te ruchy są minimalne. W takich przypadkach temperatura w klatce piersiowej osiąga 40-41°C, co wynika z wytwarzania ciepła podczas skurczów mięśni. Podczas lotu temperatura ciała owadów może mieścić się w szerokim zakresie temperatur otoczenia – u trzmieli utrzymuje się na poziomie od 10 do 25°C. Jest to możliwe dzięki temu, że owady potrafią zmieniać zarówno wytwarzanie, jak i przekazywanie ciepła. Na przykład Lepidoptera i motyle przechodzą w wyniku odpowiedniej zmiany położenia skrzydeł z aktywnego lotu do szybowania i jednoczesnej produkcji mniejsza ilość ciepło.
Klatka piersiowa owadów endotermicznych jest dobrze izolowana dzięki gęstemu, licznemu włosowi. Gdy tylko temperatura ich klatki piersiowej przekroczy 40°C, naczynia krwionośne zaczynają się zamykać układ krążenia plecy zaczynają rytmicznie się kurczyć i przemieszczać zimną krew z jamy brzusznej do klatki piersiowej; Z tego powodu temperatura w klatce piersiowej spada. Zanim krew powróci do naczyń grzbietu, po drodze przechodzi przez otwarte obszary ciała, gdzie ulega ochłodzeniu pod wpływem temperatury otoczenia, co również prowadzi do obniżenia temperatury klatki piersiowej. Niektóre rodzaje owadów zwiększają wymianę ciepła poprzez zwiększenie parowania wody z wewnętrznych lub zewnętrznych powierzchni ciała. Ten rodzaj wymiany ciepła może prowadzić do zakłócenia zawartości wody w organizmie. Tylko owady wysysające krew, takie jak mucha tse-tse, potrafią krótko i skutecznie odparować wodę. Poprzez powiększony otwór tchawicy zwiększają wydzielanie wody w postaci pary wodnej i poprzez parowanie obniżają temperaturę ciała o 1,6°K poniżej temperatury otoczenia.
Komar jest bardzo wrażliwy na temperaturę otoczenia. Zdjęcie: John Tann
Kiedy wzrasta temperatura otoczenia owady zmuszone są wielokrotnie przerywać lot, ponieważ pomimo istnienia licznych mechanizmów ochronnych nie mogą uniknąć przegrzania organizmu. W czasie spoczynku temperatura ich ciała spada ze względu na niewielką produkcję ciepła oraz duży gradient temperatur pomiędzy ciałem a otoczeniem, co pozwala im szybko wznowić lot.
Przy niskich temperaturach otoczenia zwiększone przenikanie ciepła do powietrza (konwekcja) podczas lotu wzrasta tak bardzo, że temperatura ciała, pomimo maksymalnej produkcji ciepła, maleje. W tym przypadku owady również przerywają lot. Poprzez powtarzające się buczenie podnoszą temperaturę ciała do poziomu, przy którym ponownie możliwy jest lot.
Powodzenie lotu pszczół i trzmieli w poszukiwaniu pożywienia zależy od temperatury otoczenia. Trzmiele rozpoczynają poszukiwania już przy temperaturze powietrza od 5 do 10°C. Podczas postojów na kwiatku potrafią ostygnąć do tego stopnia, że bez dodatkowego machania skrzydełkami nie mogą ruszyć od nowa. W wyższych temperaturach otoczenia (do 20°C) opuszczają kwiat zanim temperatura ich ciała spadnie poniżej poziom krytyczny. Niewielka odległość na terytorium między kwiatami przyczynia się do udanego lotu. Wraz ze wzrostem odległości lotu pomiędzy dwoma kwiatami temperatura ciała trzmiela może wzrosnąć tak bardzo, że nawet przy niskiej temperaturze otoczenia zatrzymując się na kwiatku nie zawsze osiąga optymalny poziom.
W procesie ewolucji każdy gatunek przystosował się do życia w określonym zakresie temperatur i w określonej temperaturze warunki temperaturowe. Wynika to z faktu, że reakcje metaboliczne mają charakter enzymatyczny, a każdy enzym działa w ściśle określonym zakresie temperatur. Z tego powodu granicę istnienia życia wyznacza temperatura, w której możliwa jest normalna budowa i funkcjonowanie białek. W naturalne warunki Skrajne granice rozciągają się od -70 do , a w warunkach eksperymentalnych od prawie zero absolutne() do + 180 stopni. Z.
Ponieważ temperatura wpływa na charakter i szybkość wszystkich życiowych procesów fizycznych i chemicznych w komórkach, jej wpływ objawia się na przebiegu wzrostu, rozwoju, rozmnażania organizmów, ich kształtu, wielkości, reakcji fizjologicznych i behawioralnych, a także na liczbę i rozmieszczenie . Zilustrujmy to kilkoma przykładami. Zatem odporne na zimno (lub kriofilne) drzewa i krzewy w Jakucji nie zamarzają w temperaturach poniżej minus. Niektóre zwierzęta (robaki, mięczaki, stawonogi) pozostają aktywne w ujemnych temperaturach, gdy płyn ustrojowy jest w stanie przechłodzonym. Ich antypody, termofile, nie tolerują niskich temperatur i często giną nawet w temperaturze .
Zatem ogólne wzorce wpływu temperatury na organizmy żywe przejawiają się w ich zdolności do istnienia w określonym zakresie temperatur. Zakres ten jest ograniczony dolną i górną temperaturą śmiertelną. Temperatura najkorzystniejsza dla życia nazywana jest optymalną. Optymalna temperatura większości organizmów mieści się w granicach +, w umiarkowanych i zimnych strefach Rosji optymalne temperatury wynoszą od +, a dla mieszkańców obszarów gorących i suchych optymalna temperatura osiąga +, w niektórych przypadkach +.
W zależności od zakresu temperatur organizmy dzielą się na eurytermiczne (większość mieszkańców regionów kontynentalnych) i stenotermiczne. Jednak optymalna temperatura u różnych gatunków, a nawet na różnych etapach rozwoju w obrębie jednego gatunku, nie jest taka sama (na przykład dla jaj ćmy optymalna temperatura to +, gąsienice, poczwarki). Temperatury minimalne i maksymalne nazywane są odpowiednio dolnym i górnym progiem rozwoju lub dolnym i górnym zerem biologicznym. Nazywa się temperatury, które leżą powyżej dolnego progu rozwoju i nie przekraczają górnego progu efektywne temperatury. Znając sumę temperatur efektywnych gatunku (jego stałą temperaturową C) i sumę ciepła danego obszaru (C1), możemy określić możliwość istnienia gatunku. Zatem jeśli C1/C jest większe lub równe 1, to gatunek może istnieć w danej temperaturze, jeśli dla owadów C1/C > 2, to możliwe są 2 lub więcej pokoleń.
Rozwój zwierząt endotermicznych w mniejszym stopniu zależy od temperatury otoczenia, chociaż i one charakteryzują się pewnymi optymalami, pesymami i w ogóle progami bytu. Tak więc młode gryzonie mysie rozwijają się 10 razy wolniej jesienią i zimą, ale w okresie dojrzewania okazują się większe niż u okres letni. Przejawia się to także u innych gatunków, m.in. i człowiek.
Wpływ temperatury objawia się szeregiem adaptacji morfologicznych. Tak więc w Arktyce i na wyżynach (gdzie jest mało ciepła) powszechne są rośliny pełzające, poduszkowe i rozetowe, co pozwala uniknąć negatywnych skutków niskich temperatur pod śniegiem. W przypadku roślin i zwierząt ektotermicznych suma efektywnych temperatur jest stała, jeśli inne czynniki są optymalne. Tak więc truskawki kwitną przy sumie efektywnych temperatur., jaja pstrąga rozwijają się po 205 dniach, po - 82 dniach i po - 41 dniach. Ekstremalnie zimno a ekstremalne upały czasami powodują opadanie najbardziej wrażliwych części ciała roślin (kwiaty, jajniki) lub prowadzą do stanu wymuszonego uśpienia.
Morfologiczne adaptacje do temperatury są dość wyraźnie widoczne u zwierząt, u których powstają takie cechy, jak odblaskowa powierzchnia ciała, puch, pióra lub sierść oraz złogi tłuszczu. Tak więc większość zwierząt Arktyki i wysokich gór ma ciemny kolor, ale mieszkańcy niskie szerokości geograficzne Powierzchnia jest błyszcząca i odblaskowa. Zwierzęta endotermiczne (stałocieplne) żyjące na dużych szerokościach geograficznych są zwykle większe gatunki pokrewneżyjących w gorącym klimacie. To przyczynia się względny spadek przenoszenie ciepła, ponieważ względna powierzchnia ciała maleje. U zwierząt zmiennocieplnych obserwuje się odwrotny wzór (reguła Bergmanna).
Rozmiary wystających części ciała również różnią się w zależności od temperatury otoczenia. Gatunki żyjące w chłodniejszym klimacie mają zwykle mniejsze kończyny, uszy i ogony niż pokrewne gatunki z cieplejszego klimatu (reguła Allena).
Trzecia zasada, znana jako reguła Glogera, stwierdza, że ubarwienie zwierząt w klimacie zimnym i suchym jest stosunkowo jaśniejsze niż w klimacie ciepłym i wilgotnym. Ponadto w gatunku ciepłe kraje masa narządów metabolicznych (serca, nerek, wątroby) jest mniejsza niż u osobników tego samego gatunku żyjących w chłodniejszych strefach.
Jak ogólny wzór Występuje opóźnienie w rozwoju zjawisk fenologicznych o 4 dni z wyprzedzeniem na każdy stopień szerokości i 5 stopni długości geograficznej (prawo bioklimatyczne A. Hopkinsa).
Adaptacje objawiają się także na poziomie procesów fizykochemicznych zachodzących w komórkach, tkankach i narządach. Zatem wraz ze spadkiem temperatury w komórkach roślinnych wzrasta stężenie roztworów, wzrasta ciśnienie osmotyczne soków komórkowych, zmniejsza się zawartość wolnego płynu i ilość związana woda. Ważną adaptacją do niskich temperatur jest odkładanie rezerw składniki odżywcze(tłuszcze, oleje, glikogen, kwas askorbinowy), które nadają cytoplazmie odporność na zamarzanie i inne niekorzystne skutki zimy.
Wpływ temperatury na organizmy
Temperatura jest najważniejszym z czynników ograniczających. Granice tolerancji dla każdego gatunku wynoszą maksymalny I minimalna temperatura śmiertelna , poza którym gatunki biologiczne są śmiertelnie dotknięci upałem lub zimnem (ryc. 2.1). Poza kilkoma wyjątkowymi wyjątkami wszystkie istoty żywe są w stanie żyć w temperaturach od 0 do 50 ° C, co wynika z właściwości protoplazmy komórek.
Ryż. 2.1 Ogólne prawo odporności biologicznej (wg M. Lamotta)
Na ryc. Rysunek 2.1 przedstawia granice temperatur życia grupy gatunków lub populacji. W „optymalnym przedziale” organizmy czują się komfortowo, aktywnie się rozmnażają, a populacja rośnie. W skrajnych częściach tego przedziału, ¾ obszarów „zmniejszonej aktywności życiowej”, ¾ organizmów odczuwa depresję. Z dalszym chłodzeniem w „dolnej granicy oporu” lub zwiększaniem ciepła w „dolnej granicy oporu” Górna granica odporność, organizmy wchodzą do „strefy śmierci” i umierają.
Ten przykład ilustruje prawo zwyczajowe odporność biologiczna(wg M. Lamotta), mający zastosowanie do któregokolwiek z istotnych czynników ograniczających. Wartość „optymalnego przedziału” charakteryzuje „wielkość” odporności organizmów, tj. stopień tolerancji na ten czynnik, lub „walencja ekologiczna”.
Procesy adaptacyjne zwierząt w zależności od temperatury doprowadziły do pojawienia się zwierząt poikilotermicznych i homeotermicznych. Zdecydowana większość zwierząt tak ma poikilotermiczne, czyli temperatura własnego ciała zmienia się wraz ze zmianami temperatury otoczenia płazów, gadów, owadów itp.
Opublikowano na ref.rf
Znacznie mniejszy odsetek zwierząt ¾ homeotermiczny, czyli mają stałą temperaturę ciała, niezależną od temperatury środowiska zewnętrznego, ssaki (w tym ludzie) mają temperaturę ciała 36-37°C, a ptaki mają temperaturę ciała 40°C.
Tylko zwierzęta homeotermiczne mogą prowadzić aktywne życie w temperaturach poniżej zera. Chociaż poikilotermy wytrzymują temperatury znacznie poniżej zera, tracą mobilność. Temperatura rzędu plus 40°C, czyli nawet poniżej temperatury krzepnięcia białka, jest granicą dla większości zwierząt.
Nie mniej ważną rolę w życiu roślin odgrywa temperatura. Gdy temperatura wzrośnie o 10°C, intensywność fotosynteza podwaja się, ale tylko do plus 30-35°C, następnie intensywność spada, a przy plus 40-45°C fotosynteza zatrzymuje się całkowicie. W temperaturze 50°C większość roślin lądowych obumiera, co wiąże się z intensyfikacją oddychania roślin wraz ze wzrostem temperatury, a następnie zatrzymuje się przy 50°C.