Fizica temperaturilor scăzute. Efectul temperaturilor scăzute asupra organismelor vii și a materiei nevii
Temperatura din biosferă variază de la +50°С până la –50°С.
Speciile care preferă frigul sunt grup de Mediu criofili. Ele pot rămâne active la temperaturi de până la –8, 10°C. Acestea sunt bacterii, ciuperci, viermi, moluște, pești și altele care trăiesc în regiunile arctice și antarctice. Speciile care trăiesc în zone cu temperaturi ridicate aparțin grupului termofile. Acestea sunt microorganisme, nematode, acarieni, larve de insecte care trăiesc în regiuni aride, în izvoare termale, pe versanții vulcanilor.
Conform regulii lui Van't Hoff, o creștere a temperaturii duce la o creștere proporțională a vitezei de reacție pentru toate reacții chimice. Dar în organismele vii, procesele chimice au loc cu participarea enzimelor, a căror activitate depinde și de temperatură. Apare o dependență complexă, disproporționată.
Mărimea accelerării temperaturii reacțiilor chimice este exprimată prin coeficient Q 10, care arată de câte ori crește viteza de reacție atunci când temperatura crește cu 10 °C:
Q 10 = Kt+ 10/Kt;
Unde Kt– viteza de reacție la temperatura t; Kt+10 viteza de reacţie la temperatura t+10. Q 10 pentru majoritatea reacțiilor chimice = 23.
Pentru reacțiile enzimatice dependența este neliniară.
Pragul de temperatură pentru viață (teoretic): superior – temperatura de coagulare a proteinelor (60°C); mai scăzută – temperatura de îngheț a apei (0°C). La 0°C se formează cristale de gheață care dăunează mecanic țesutului.
Deshidratarea crește acest prag (spori, semințe). În organismele complexe, moartea termică are loc atunci când mai mult temperaturi scăzute ah: 42 – 43 °C, motivul este o nepotrivire a proceselor metabolice, deoarece Q 10 diferite pentru diferite reacții din organism. Cu o răcire slabă, apare o perturbare a activității inimii, ritmul contracțiilor se modifică. La rinichii de mamifere, reabsorbția tubulară este inhibată la o temperatură de 2023 °C. Reflexe condiționate câinii dispar la o temperatură de 3027 °C. Plantele rezistente la îngheț pot rezista la temperaturi scăzute deoarece... Are loc o restructurare sezonieră a ultrastructurii celulelor, acestea devin deshidratate.
Pe baza caracteristicilor fundamentale ale schimbului de căldură, se disting organismele poikiloterme și homeoterme.
Poikilotermic (schimbător, schimbător) – cu sânge rece, totul în afară de păsări și mamifere. Temperatura corpului este instabilă, depinde de temperatură mediu inconjurator. Nivel scăzut metabolism, sursa principala căldură – căldură externă.
Când temperatura se schimbă, se schimbă și viteza procesele metabolice. La plante, absorbția apei de către rădăcini scade cu 60-70% când temperatura scade de la 20 la 0 °C. La animale și plante, creșterea temperaturii determină creșterea respirației. Durata dezvoltării depinde de temperatură. A implementa program geneticÎn timpul dezvoltării, organismele poikiloterme trebuie să primească o anumită cantitate de căldură din exterior. Această căldură este măsurată suma temperaturilor efective.
Temperaturi efective ei numesc temperatura peste valoarea minimă la care procesele de dezvoltare sunt în general posibile; această valoare de prag se numește zero biologic.
Semințele de plante au un prag de dezvoltare scăzut (0 + 1°C), ouăle de știucă 225°C.
Suma temperaturilor efective se calculează folosind formula:
STeff = (TC)×n,
unde T este temperatura ambiantă, C este pragul de temperatură pentru dezvoltare, n este numărul de ore sau zile cu o temperatură care depășește pragul de dezvoltare.
Cunoașterea sumei temperaturilor efective este importantă pentru prognozele culturilor, datele de apariție a dăunătorilor etc. De exemplu, lângă Sankt Petersburg, pentru înflorirea coltsfoot STeff = 77 ° C, căpșuni STeff = 500 ° C, salcâm galben STeff = 700 ° C. Molia din nordul Ucrainei la STeff = 930°C dă o generație, iar în sud, unde STeff = 1870°C, sunt posibile două sau trei generații pe vară.
Dincolo de intervalul de temperatură la care se mențin funcțiile vieții active, organismele poikiloterme intră într-o stare de toropeală și nivelul proceselor metabolice scade. Într-o stare pasivă diapauză pot tolera creșteri și scăderi puternice de temperatură timp îndelungat fără consecințe patologice.
Baza toleranței la temperatură este rezistența țesuturilor, software-ul și deshidratarea severă.
Adaptări de temperatură ale plantelor
Plantele superioare din zonele temperate sunt euritermale. Plante de ploaie paduri tropicaleşi verde criofil şi diatomee V gheață polară iar pe câmpurile de zăpadă din zonele înalte sunt stenoterme. Plantele pădurilor tropicale mor la temperaturi de +5 ... +8 ° C și în taiga siberiană rezistă la îngheț complet (50 °C).
Principalele moduri de adaptare la schimbările de temperatură ale plantelor sunt modificările fiziologice și morfologice.
În funcție de gradul de adaptare la frig, există 3 grupe:
1) plante nerezistente la frig - sunt deteriorate și mor la temperaturi apropiate de 0°C și peste. Acest junglă, alge ale mărilor calde, niște ciuperci.
2) plante nerezistente la îngheț - tolerează temperaturi scăzute, dar mor când se formează gheață. Acestea sunt plante subtropicale.
3) Plante rezistente la gheață sau la îngheț - cresc în locuri cu ierni reci. Plantele se pregătesc pentru iarna rece: deshidratare, acumulare de crioprotectori - zaharuri, aminoacizi etc.
În funcție de gradul de adaptare la temperaturi ridicate:
1) nerezistent la căldură – deteriorat la temperaturi de +30°С…+40°С. Acestea sunt alge eucariote, alge cu flori acvatice și mezofite terestre.
2) Eucariote rezistente la căldură - plante din habitate uscate cu insolație puternică (stepe, deșerturi, savane), tolerează încălzirea până la +50°C timp de până la 30 de minute.
3) Procariotele termorezistente - bacterii termofile și unele alge albastre-verzi, trăiesc în izvoare termale la o temperatură de +85...+90°C.
4) Pirofite – rezistente la incendii. Plantele de savană, chaparral, au o crustă groasă impregnată cu substanțe rezistente la foc.
Adaptare generală la creșterea temperaturii: răcire în timpul evaporării umidității, transpirație a umidității prin stomatele, dispunerea verticală a frunzelor spre soare, suprafața netedă a frunzei reflectorizante.
Adaptări termice ale animalelor
Ciclul de dezvoltare al majorității animalelor terestre din zona temperată este adaptat existenței iernilor reci. În acest moment sunt într-o stare inactivă. În primul rând, acest lucru se aplică insectelor, care predomină numeric în fauna tuturor continentelor. Timp de iarna așteaptă, fiind nemișcați, oprindu-și dezvoltarea, pierzând adesea multă apă. Diapauza poate apărea în tipuri diferiteîn diferite stadii de dezvoltare - ouă, larve, pupe și chiar în stadiul adult. Forme similare de rezistență la condiții nefavorabile sunt caracteristice majorității nevertebratelor. Chiar și peștii și amfibienii pot petrece iarna nemișcați, îngropați în noroi. Fenomene similare se observă în climatele tropicale, singura diferență fiind că animalele petrec cea mai caldă perioadă a anului într-o stare de viață lentă, care de obicei coincide cu cea mai mare uscăciune. Estivarea, sau hibernarea de vară, este larg răspândită printre insecte și pești. Unele dintre ele din cauza uscării mediul natural habitatele cad într-o „capcană”, parcă. Multe tropicale râme in sezonul secetos intra si in estivare. Uscarea solului nu este doar nefavorabilă pentru ei, dar se dovedește adesea dezastruoasă.
Tranziția la o stare de toropeală este o reacție de adaptare: un organism aproape nefuncțional nu este expus la efecte dăunătoare, nu consumă energie, ceea ce îi permite să supraviețuiască conditii nefavorabile. La intrarea într-o stare de toropeală, schimbările fiziologice și biochimice apar în organism treptat, încet.
Peștii antarctici sunt sensibili la creșterea temperaturii (mor la + 6 ° C), antigelul biologic se acumulează în țesuturile lor - glicoproteine, care scad punctul de îngheț al apei în țesuturi. Înainte de iarnă, plantele acumulează zaharuri, AA, care leagă apa. Vâscozitatea protoplasmei scade și conținutul N 2DESPRE. Acest lucru duce la o scădere a temperaturii și la înghețarea lichidului din celule.
La insecte, glicerolul se acumulează în hemolimfă și țesuturi, ceea ce scade punctul de hipotermie la –27...39 °C. Cristalizarea în celule începe doar la – 60 °C.
Antigel: glicerina, monozaharide, proteine, glicogen (crioprotectori).
Deshidratare: deshidratarea rotiferului la – 190 °C.
Termoreglare: cu scăderea temperaturii: din cauza activității musculare (insecte zburătoare, un șarpe în jurul unei puie de ouă, la albine - reglare socială - aripi fâlfâitoare, toate împreună, la albinele solitare consum crescut DESPRE 2. Animalele au respirație rapidă; țestoase - evaporarea salivei, cu care udă suprafața scalpului, a membrelor anterioare, pulverizarea cu urină la capătul membrelor posterioare.
Comportament adaptativ: alegerea unui loc cu cel mai favorabil microclimat și schimbarea pozițiilor (de la locuri însorite la umbra). Crabul, care prezintă un fototaxis pozitiv, merge în apă puțin adâncă (apa este încălzită de soare), pe vreme caldă ajunge la adâncime și se ascunde în vizuini. O șopârlă se îngroapă în nisip.
Homeotermic (Homoios grecesc – identic, asemănător ) Acestea sunt păsări și mamifere (cu sânge cald).
Menținând constanța internă, temperatura corpului este constantă atunci când temperatura ambientală se modifică. Homeostazia termică este inerentă. Homeostazia este o stare de echilibru dinamic între organism și mediu, în care organismul își păstrează proprietățile și capacitatea de a îndeplini funcții vitale pe fondul schimbărilor condițiilor externe. Nivel inalt metabolism: metabolismul zilnic al unui șarpe este de 32 J/kg, pentru o marmotă 120 J/kg, pentru un iepure 180 J/kg.
Importanța încălzirii externe este mică; aceștia trăiesc din căldura internă eliberată în timpul reacțiilor biochimice exoterme. Organisme endoterme. Pentru un bărbat cu greutate medie și înălțime medie, este nevoie de ~8000 kJ zilnic.
Temperatura corpului: la păsări 41°C, la rozătoare 3539°C, la ungulate 35 – 39°C.
Mecanisme de termoreglare:
1. Termoreglare chimică - căldura reacțiilor metabolice. Ficatul produce în mod activ căldură și muschii scheletici. Producția de căldură este reglată de temperatura ambiantă și de hormoni (tiroxina crește rata reacțiilor metabolice).
2. Tonul termoreglator – sub influența impulsurilor nervoase. Microcontracții ale fibrilelor – tremur de frig. Schimbul gazos crește cu 300 – 400 °C. Frecarea mainilor, baterea picioarelor, exercițiu fizic crește rata metabolică, temperatura corpului crește.
2. Oxidarea țesutului adipos brun (sub piele, în gât, în piept). Important pentru animalele care hibernează după somn.
3. T/r fizic - huse termoizolante (pene, păr, grăsime subcutanată).
Mecanisme de transfer de căldură: conductivitate termică, convecție, radiație, evaporare.
Transferul de căldură depinde de D t = t oc – t corpuri.
1. Evaporarea umezelii de la suprafața corpului, transpirație. Crește odată cu creșterea temperaturii ambientale și cu creșterea temperaturii corpului. Animale cu palton linge corpul. Evaporarea umidității de pe suprafața mucoaselor gurii, superioară tractului respirator. Respirație superficială rapidă – polipnee. Câini în călduri 300400 respirații pe minut cu o normă de 2040 respirații pe minut. Păsările se caracterizează prin tremurături în gât - mișcări oscilatorii ale părții inferioare a gâtului (ventilația tractului respirator).
2. Reacții vasculare - dilatarea vaselor mici situate aproape de suprafață (crește transferul de căldură către mediul extern), compresia superficială și expansiunea vaselor profunde (conservarea căldurii în organism). Mare importanță au secțiuni ale căilor respiratorii cu o rețea dezvoltată vase de sânge– căile nazale ale mamiferelor. Aerul inspirat se încălzește, pereții nasului se răcesc, iar expirarea este procesul invers (divers). La pui, creasta este o zonă de termoreglare vasculară (temperatura crestei este mai scăzută, Var). Transpirația este rezultatul creșterii temperaturii din interiorul corpului. Dacă bei apă rece, racesc arterele carotide, scade transpiratia. Deoarece sângele intră în hipotalamus din arterele carotide, acest lucru indică faptul că acesta este rol importantîn termoreglare. Informațiile despre temperatura ambiantă curg către hipotalamus de la receptorii de frig și căldură de pe piele. Receptorii cutanați sunt detectori ai tulburărilor externe. Receptorii generează impulsuri, unii merg la hipotalamus, alții la cortexul cerebral.
În unele boli, temperatura corpului crește deoarece... Termostatul este setat la o temperatură mai ridicată. Această setare este cauzată de pirogeni (de exemplu, toxine microbiene, substanțe secretate de neutrofile în sânge). O creștere a temperaturii stimulează reacții defensive organismul, favorizează distrugerea factorilor patogeni. Aspirina scade temperatura de referință, ameliorează simptomele unei stări febrile, dar în același timp reacțiile de protecție încetinesc.
Reacție adaptivă - alegerea locației optime, agregari de grup apropiate. Peste noapte, iernând sub zăpadă. Construire cuiburi, vizuini.
Hipotermie reversibilă - hibernare (torpoare neregulată, zilnică și sezonieră). Estivarea este hibernarea de vară.
Adaptare la condiții climatice extreme.
regula lui Bergman : În cadrul unei specii sau al unui grup destul de omogen de specii strâns înrudite, animalele cu dimensiuni corporale mai mari se găsesc în zone mai reci. Adică animalele care trăiesc în zone reci (balenele, urși polari) avea dimensiuni mari, iar în țările fierbinți – mici. Excepții: animalele arctice mici au un apetit mare, membre mici, hibernează și animalele mari din țările fierbinți (elefanții, hipopotamii; elefanții au urechi mari, batand din palme, creste transferul de caldura. Hipopotamul se deplasează de pe pământ în apă și invers. Această regulă este în concordanță cu considerații termodinamice simple. Suprafața corpului unui animal este proporțională cu pătratul mărimii sale, în timp ce volumul său este proporțional cu cubul dimensiunii sale. Pierderea de căldură este proporțională cu suprafața corpului și, prin urmare, cu cât este mai mare, cu atât este mai mare raportul dintre suprafața corpului și volumul acestuia, adică. cu atât corpul animalului este mai mic. Cu cât animalul este mai mare și cu cât forma corpului său este mai compactă, cu atât este mai ușor de întreținut temperatura constanta; cu cât animalul este mai mic, cu atât rata metabolică bazală a acestuia este mai mare. Deseori citați ca exemplu sunt pinguinii care trăiesc în emisfera sudica. Cel mai mare dintre ei, pinguinul rege, cuibărește pe continentul Antarcticii și trăiește în zonele de coastă; Cel mai mic, pinguinul Galopagos, trăiește la ecuator. De fapt, însă, nu toate speciile de pinguini comparație în perechi confirma aceasta regula. Asa de, dimensiunea medie indivizii din populațiile de puffini Fratercula arctica, estimat, cel mai convenabil, după lungimea aripii, scade treptat în direcția de la nord la sud - de la 18,5 cm pe insula Spitsbergen la 14 cm pe insula Mallorca.
regula lui Allen: Speciile care trăiesc în climă rece au apendice mai mici (urechi, nas) decât rudele din climă mai caldă. Această regulă este un caz special al celei anterioare. Anexele corpului (urechi, cozi, labe) sunt mai scurte și corpul mai masiv decât climat mai rece. Un exemplu bun poate servi drept vulpe: fennecul saharian are membre lungi și urechi imense; vulpe tari europene mai ghemuit, iar urechile ei sunt mult mai scurte; Vulpea arctică care trăiește în Arctica are urechi foarte mici și bot scurt.
Temperatura este cel mai important factor limitator. Limitele de toleranță pentru orice specie sunt maximȘi temperatura minimă letală. În afară de unele excepții unice, toate organismele vii sunt capabile să existe la temperaturi cuprinse între 0 și 50°C, datorită proprietăților protoplasmei celulelor.
În intervalul optim de temperatură, organismele se simt confortabil, se reproduc activ, iar populația crește. Părțile extreme ale intervalului de toleranță la temperatură sunt zone cu activitate vitală redusă - organismele se simt deprimate. Dacă temperatura depășește intervalul de toleranță, organismele intră în zona morții și mor.
Procesele de adaptare la animale în raport cu temperatura au dus la apariția animalelor a căror temperatură corporală se modifică odată cu modificările temperaturii ambiante ( poikilotermic animale) și animale cu o temperatură constantă a corpului, independent de temperatură Mediul extern (homeotermic animale). Primele includ amfibieni, reptile, insecte etc., cele din urmă includ mamifere (inclusiv oameni) cu o temperatură corporală de 36 - 37C și păsări cu o temperatură corporală de aproximativ 40C.
Viața activă Doar animalele homeoterme pot supraviețui la temperaturi sub zero. Deși poikilotermele pot rezista la temperaturi negative semnificative, își pierd mobilitatea. O temperatură de aproximativ +40С, deși mai mică decât temperatura de coagulare a proteinelor, este limita pentru majoritatea animalelor.
Temperatura joacă un rol nu mai puțin important în viața plantelor. Când temperatura crește cu 10, intensitatea fotosintezei se dublează, dar numai până la +30 - 35C, apoi intensitatea acesteia scade, iar la +40 - 45C fotosinteza se oprește cu totul. La 50С cel mult plante terestre mor, care este asociat cu intensificarea respirației plantelor odată cu creșterea temperaturii și apoi încetarea acesteia la 50°C. Temperatura afectează, de asemenea, cursul nutriției rădăcinilor la plante: acest proces este posibil numai atunci când temperatura solului în zonele de aspirare este cu câteva grade mai mică decât temperatura părții supraterane a plantei.
Exista morfologicȘi fiziologic prin natura lor, modalități de adaptare a organismelor vii la temperaturi ridicate sau scăzute. Ca exemple de metoda morfologica de adaptare la plante, se poate mentiona ca la unele specii de plante mugurii raman deasupra suprafetei stratului de zapada, deci sunt feriti de inghet prin solzi tegumentari. Alte plante pierd toată masa de plante supraterane în timpul iernii și își ascund mugurii în tuberculi, bulbi sau rizomi, în timp ce altele sunt plante anuale care mor odată cu apariția vremii rece; doar semințele sau sporii lor supraviețuiesc.
Un exemplu de adaptare morfologică la condițiile de temperatură la animale este așa-numitul. regula lui Bergman: La animalele cu sânge cald, dimensiunea corporală medie a indivizilor este mai mare la populațiile care trăiesc în părțile mai reci din gama speciei.
Dar în viața animalelor există multe mare rol joacă adaptare fiziologică la condițiile de temperatură, cel mai simplu exemplu fiind aclimatizare- adaptare fiziologică la temperaturi prea ridicate sau frig. De exemplu, pentru a combate supraîncălzirea la un număr de animale, se folosește o creștere a evaporării de la suprafața corpului; Lupta împotriva hipotermiei la animalele poikiloterme se realizează prin deshidratarea parțială a corpului sau acumularea de substanțe speciale care scad punctul de îngheț al apei.
Formele mai radicale de protecție împotriva frigului sunt migrația către clime mai calde sau hibernarea în interior perioada de iarna. În acest din urmă caz, temperatura corpului scade aproape la zero, în timp ce metabolismul încetinește și, prin urmare, consumul de nutrienți.
Majoritatea animalelor sunt în stare inactivă iarna, iar insectele sunt în general nemișcate, când toată dezvoltarea se oprește. Acest fenomen se numește diapauză.
Dar multe animale din latitudinile temperate duc un stil de viață activ iarna (lupi, căprioare, iepuri de câmp), iar unele chiar se reproduc (pinguinii rege).
Proteina este o componentă esențială a organismelor vii. Proteinele se denaturează la temperaturi peste 45°C și îngheață la 0°C, ceea ce perturbă procesele vitale. Astfel, teoretic, viața este posibilă doar într-un interval limitat de temperatură - de la 0°C la 45°C. Cu toate acestea, în deșert temperatura aerului poate crește până la 65°C și viața acolo. cu toate acestea posibil. În Arctica și Antarctica, temperatura în timpul iernii scade la -55°C, la Polul Nord - uneori până la -65°C, însă există și acolo organisme vii foarte dezvoltate. Viața în astfel de condiții extreme este posibilă deoarece organismele, în proces de evoluție, au dezvoltat un sistem de termoreglare care asigură menținerea temperaturii corpului chiar și cu schimbări semnificative ale temperaturii mediului.
Să dăm câteva exemple. Rozătoarele deșertului se ascund în vizuini adânci sub pământ în timpul orelor fierbinți ale zilei și se târăsc la suprafață în principal noaptea, când temperatura ambientală scade sub +20°C. La animalele polare (ursi polari, vulpi polari), precum si la oamenii care folosesc blana acestor animale, transferul de caldura catre mediu este mic chiar si la -40°C.
O persoană într-o saună uscată produce până la 2 litri de transpirație pe oră și, în ciuda temperaturii ambientale ridicate, pierde mai mult de 4.000 de kilojulii de căldură ca urmare a evaporării umidității. Temperatura confortabila pentru o persoană goală este de aproximativ +28°C. În condiții de temperatură extremă, o persoană creează un microclimat optim selectând îmbrăcăminte adecvată, încăperi de încălzire etc. Eschimoșii, folosind abordări tradiționale, sunt capabili să creeze un microclimat subtropical pentru ei înșiși. Trebuie precizat că omul, datorită progreselor tehnologice și experienței, a atins aproape cea mai înaltă formă de comportament termoreglator dintre toate ființele vii.
Datorită proceselor de adaptare, intervalul de temperatură în care este posibilă performanța optimă a animalelor variază semnificativ. De exemplu, pentru bovine, o temperatură ambientală de aproximativ 23°C este un stres termic care poate duce la o reducere semnificativă a producției de lapte, în timp ce zebrele sunt tolerante la temperaturi de aproximativ 32°C. Există diverse mecanisme care asigură adaptarea ideală la temperaturile ridicate ale mediului. Astfel, părul scurt, subțire și ușor reflectă bine razele spectrului termic al soarelui. Mâncatul crește consumul de energie și intensitatea producției de căldură, ceea ce afectează cantitatea și calitatea laptelui. Pe de altă parte, când temperatura ridicata Produsele alimentare nedigerabile, cu fibre grosiere sunt bine utilizate. Acest lucru este valabil atunci când există o lipsă de apă sau mâncarea conține o cantitate în exces de sare. In astfel de situatii, prin rinichi si tract gastrointestinal se eliberează multă apă cu o secreție destul de mare de transpirație. Cu membrele lungi și subțiri, urechi mari și pliuri de piele bine aprovizionate în zona gâtului, suficientă căldură poate fi eliberată în mediu prin schimbarea transportului și a conducerii căldurii. Datorită acestui fapt, efectul creșterii temperaturii mediului asupra temperaturii corpului este neutralizat.
Sistemele care reglează temperatura corpului la vertebrate se formează în faza timpurie a dezvoltării filogenetice. Optimizarea lor constantă duce la îmbunătățirea condițiilor de viață pentru animale și la dezvoltarea adecvată a nivelurilor metabolice.
Temperatura constantă a corpului la mamifere a creat premisele pentru funcționarea stabilă a centralului sistem nervos, iar acest lucru a asigurat superioritatea acestui grup de animale față de alte specii de ființe vii. În acest sens, îmbunătățirea reglării temperaturii poate fi considerată parte a istoriei evoluției
Influența temperaturii afectează procesele vitale
Formele de viață de pe pământ sunt rezultatul proceselor chimice din celulele animale și vegetale. În procesul de evoluție s-au format structuri ierarhice în organismele la diferite niveluri de dezvoltare, care au unit procesele funcționale din anumite sisteme și, în cele din urmă, au asigurat menținerea vieții. Doar când se analizează procesele vieții diverse niveluri- moleculară, celulară, organică, sistemică, întregul organism - se poate înțelege importanța proceselor de termoreglare. Cum în societatea umana Este imposibil să se judece după comportamentul cetățenilor individuali cu privire la relațiile complexe și în schimbare dintre instituții, organizații și structuri ale statului și atunci când ne uităm la celula vie la microscop este imposibil să vă faceți o idee despre forma (tipul, imaginea) unui animal care provine din astfel de celule. De asemenea, este imposibil să judeci structura și funcțiile unui sistem individual de organe numai pe baza reacțiilor biochimice.
Aceste considerații sunt clar confirmate de acest exemplu. Importanța deosebită a ionilor de calciu în procesele funcționale ale păsărilor și mamiferelor a fost dovedită în mod convingător. Există sisteme de reglementare care asigură o constantă strictă a concentrației ionilor de calciu în plasma sanguină. Folosind cunoștințele că ionii de calciu conținuți în anumite structuri ale celulelor musculare, și anume, în reticulul sarcoplasmatic, sunt eliberați atunci când apare și se extinde excitația, favorizând scurtarea miofibrilelor, putem concluziona că acest proces joacă un rol important. Rol cheieîn timpul procesului de contracție musculară. Dar rămâne întotdeauna neclar ce reacții comportamentale la animale pot provoca aceste contracții și ce procese adaptative care implică ionii de calciu se formează în organism ca răspuns la stimuli externi.
Deci, putem rezuma. Pentru a analiza fenomenul vieții, este important atât să studiem procesele comportamentale, cât și să studiem metabolismul calciului într-un organel celular separat. Se poate observa că reacțiile care au loc la un nivel funcțional înalt capătă uneori un nou nivel calitativ și nu reprezintă întotdeauna suma aritmetică a proceselor care au loc la un nivel inferior, în ciuda faptului că reacțiile de schimb sunt întotdeauna determinate de interacțiuni la nivel molecular. Aceasta înseamnă că toate procesele vitale care au loc la fiecare dintre nivelurile funcționale sunt întotdeauna interconectate și depind de procesele chimice și biologice dependente de temperatură.
Dacă creșteți temperatura în corpul animalelor cu 10 ° K, atunci teoretic rata de reacție a proceselor metabolice crește de la 2 la 4 ori. Aceasta înseamnă o creștere a vitezei proceselor într-o eprubetă și nu într-un organism viu. Reacțiile metabolice biochimice sunt catalizate de enzime, iar activitatea enzimatică depinde de temperatura ambiantă. Astfel, fără a ține cont de influența altor factori fizici de mediu, este posibilă modificarea proceselor de viață prin modificarea temperaturii.
Viața animală este posibilă numai într-un interval limitat de temperatură. O scădere a temperaturii celulei sub 0°C duce la înghețarea apei celulare. Consecința cristalizării apei este modificări funcționale în membrana celulară, în plus, toate reacțiile biochimice sunt semnificativ inhibate sau suprimate. Ridicarea temperaturii în celule la valori de la 44 la 45 ° C duce la denaturarea majorității proteinelor, iar acest lucru duce la moartea animalului. În ciuda acestui fapt, animalele s-au adaptat și trăiesc în toate zonele climatice teren. Acest lucru a devenit real, deoarece deja în stadiile incipiente ale evoluției s-au format sisteme care reglau temperatura corpului și permiteau animalelor să-și mențină valorile optime, care diferă de temperatura ambiantă și asigurau curgerea proceselor biochimice vitale în zone specifice. condiții climatice fiecare biotop.
Toate speciile de animale vii își pot regla mai mult sau mai puțin bine temperatura corpului. Acest lucru a devenit posibil datorită formării în procesul de selecție a unor sisteme extrem de eficiente care reglează temperatura, a căror importanță este extrem de mare pentru procesele evolutive, deoarece temperatura corpului, deviând de la optim, poate avea un impact pronunțat asupra proceselor vitale. Astfel, intervalul de generare a noilor generații în bacterii coli (Escherichia coli) la o temperatură de aproximativ 13°C este mai mare de trei ore și jumătate, iar la o temperatură de 45°C este mai mic de 20 de minute.
O temperatură constantă a corpului oferă corpului două beneficii evidente. Asigură apariția stabilă a tuturor proceselor metabolice și asigură controlul reacțiilor biochimice prin modificarea concentrației substraturilor (fără influența corespunzătoare). conditii de temperatura). Avantajele biologice evidente ale sistemelor efectoare care reglează temperatura sunt atât de semnificative încât permit chiar și o creștere a cheltuielilor energetice ca parte a acestei reglementări.
Influența temperaturii asupra vieții insectelor
Sistemele care reglează temperatura la insecte au fost mai bine studiate decât la alte nevertebrate, pe de o parte, evident ca urmare a faptului că insectele au capacități de termoreglare diverse. Pe de altă parte, acest lucru este determinat de simplitatea neîndoielnică a păstrării insectelor, ceea ce simplifică condițiile experimentale la efectuarea experimentelor. Majoritatea insectelor sunt endoterme. Cu toate acestea, unele specii de insecte, cum ar fi moliile de șoim, albinele și bondarii, pot prezenta un comportament care amintește de creaturile endoterme în timpul perioadei de pregătire pentru zbor.
Toate tipurile de insecte au dezvoltat termoreceptori care funcționează complex, localizați pe corp, antene și membre. În plus, celulele sensibile la temperatură au fost găsite în ganglionii toracici. Deci, de exemplu, în condiții de răcire a celui de-al doilea și al treilea segment toracic al moliei (Hyalophora), are loc o încetare a mișcărilor ritmice ale mușchilor care asigură zborul insectei. În loc de mișcări coordonate, se observă zvâcniri haotice, însoțite de un sunet de măcinat (ca un fluier) și care amintește în natură de tremurături musculare la creaturile placentare și la păsări. Dacă ganglionii toracici sunt din nou încălziți la temperatura optima, apoi, în ciuda temperaturii ambientale scăzute, molia oprește tremurul muscular și încearcă să decoleze.
Termoreceptorii insectelor endoterme, care includ muștele și cicadele, sunt implicați în coordonarea comportamentului termoreglator. Abia atunci apar insectele activitate motorie acesta și temperatura corpului crește la 17-20 °C. Noaptea, cad într-o stupoare, din care ies când temperatura aerului începe să crească după răsăritul soarelui.
Diverse specii de lăcuste își poziționează corpul în direcția razelor solare, ceea ce le permite să absoarbă energia soarelui într-o măsură mai mare și, în scurt timp, să-și ridice temperatura corpului peste temperatura ambiantă. În timpul zilei, își schimbă poziția corpului și reglează astfel absorbția și transferul de căldură. Schimbarea temperaturii corpului în timpul zilei permite lăcustelor să dezvolte o activitate motorie maximă.
Insectele endoterme își măresc producția de căldură înainte de zbor datorită contracțiilor ritmice ale mușchilor de zbor și, prin urmare, temperatura în întreaga zonă a peretelui toracic și în special a mușchilor de zbor crește. De obicei, ambele grupuri de muschi de zbor (flexori si extensori) se contracta simultan. Aripile se mișcă cu greu, sau aceste mișcări sunt minime. În astfel de cazuri, temperatura toracică ajunge la 40-41°C, ceea ce apare din cauza producerii de căldură în timpul contracțiilor musculare. În timpul zborului, temperatura corpului insectelor se poate afla într-o gamă largă de temperaturi ambientale - la bondari este menținută la un nivel de 10 până la 25 ° C. Acest lucru este posibil ca urmare a faptului că insectele sunt capabile să-și modifice atât producția de căldură, cât și transferul de căldură. Lepidopterele și fluturii, de exemplu, trec din cauza unei schimbări corespunzătoare a poziției aripilor de la zborul activ la planarea și producția în același timp cantitate mai mica căldură.
Toracele insectelor endoterme este bine izolat datorită părului gros și numeros. Imediat ce temperatura pieptului lor depășește 40°C, vasele de sânge sistem circulator spatele încep să se contracte ritmic și mută sângele rece din cavitatea abdominală în cavitatea toracică; Din acest motiv, temperatura pieptului scade. Înainte ca sângele să revină în vasele din spate, pe drum trece prin zone deschise ale corpului, unde este răcit de temperatura din jur, ceea ce duce și la scăderea temperaturii toracice. Unele tipuri de insecte cresc transferul de căldură prin creșterea evaporării apei de pe suprafețele interne sau externe ale corpului. Acest tip de transfer de căldură poate duce la perturbarea conținutului de apă din organism. Numai insectele care suge sânge, cum ar fi musca tse-tse, pot evapora apa pentru scurt timp și eficient. Prin deschiderea traheală mărită, ele măresc eliberarea apei sub formă de abur și, datorită evaporării, reduc temperatura corpului cu 1,6 °K sub temperatura ambiantă.
Țânțarul este foarte sensibil la temperatura mediului ambiant. Foto: John Tann
La crestere temperatura ambientala insectele sunt nevoite să-și întrerupă zborul în mod repetat, deoarece, în ciuda prezenței a numeroase mecanisme de protecție, nu pot evita supraîncălzirea corpului. În timpul repausului, temperatura corpului lor scade din cauza producției nesemnificative de căldură și datorită gradientului mare de temperatură dintre corp și mediu, care le permite să își reia rapid zborul.
La temperaturi ambientale scăzute, transferul crescut de căldură în aer (convecție) în timpul zborului crește atât de mult încât temperatura corpului, în ciuda producției maxime de căldură, scade. În acest caz, și insectele își întrerup zborul. Prin fredonat repetat, își ridică temperatura corpului la un nivel la care zborul devine din nou posibil.
Succesul zborului albinelor și bondarilor în căutarea hranei depinde de temperatura mediului ambiant. Bondarii își încep căutarea deja la temperaturi ale aerului între 5 și 10°C. În timpul opririlor pe o floare, ei se pot răci atât de mult încât, fără bătăi suplimentare ale aripilor, nu pot începe din nou. La temperaturi ambientale mai ridicate (până la 20°C), ei părăsesc floarea înainte ca temperatura corpului să scadă sub nivel critic. O mică distanță în teritoriul dintre flori contribuie la succesul zborului. Pe măsură ce distanța de zbor dintre două flori crește, temperatura corpului bondarului poate crește atât de mult încât chiar și la o temperatură ambientală scăzută când se oprește pe o floare, nu ajunge întotdeauna la nivelul optim.
În timpul procesului de evoluție, fiecare specie s-a adaptat pentru a exista într-un anumit interval de temperatură și la un anumit interval conditii de temperatura. Acest lucru se datorează faptului că reacțiile metabolice sunt enzimatice, iar fiecare enzimă acționează într-un interval de temperatură strict definit. Din acest motiv, limita existenței vieții este determinată de temperatura la care este posibilă structura și funcționarea normală a proteinelor. ÎN conditii naturale limitele extreme se extind de la -70 la , iar în condiții experimentale de la aproape zero absolut() până la + 180 de grade. CU.
Deoarece temperatura afectează natura și viteza tuturor proceselor fizice și chimice vitale din celule, influența sa se manifestă asupra cursului de creștere, dezvoltare, reproducere a organismelor, forma, dimensiunea, reacțiile fiziologice și comportamentale ale acestora, precum și asupra numărului și distribuției. . Să ilustrăm acest lucru cu câteva exemple. Astfel, copacii și arbuștii rezistenți la frig (sau criofili) din Yakutia nu îngheață la temperaturi sub minus. Unele animale (viermi, moluște, artropode) rămân active la temperaturi minus, când lichidul corporal este într-o stare suprarăcită. Antipozii lor, termofilii, nu pot tolera temperaturile scăzute și adesea mor chiar și la .
Astfel, modelele generale ale efectelor temperaturii asupra organismelor vii se manifestă prin capacitatea lor de a exista într-un anumit interval de temperatură. Acest interval este limitat de temperaturile letale inferioare și superioare. Temperatura cea mai favorabilă vieții se numește optimă. Temperatura optimă a majorității organismelor este în +, în zonele temperate și reci din Rusia temperaturile optime sunt de la +, iar pentru locuitorii din zonele calde și uscate temperatura optimă ajunge la +, în unele cazuri +.
În funcție de intervalul de temperatură, organismele sunt împărțite în euriterme (cei mai mulți locuitori ai regiunilor continentale) și stenoterme. Cu toate acestea, temperatura optimă la diferite specii și chiar la diferite stadii de dezvoltare în cadrul unei specii nu este aceeași (pentru ouăle moliei, de exemplu, temperatura optimă este +, omizi, pupe). Temperaturile minime și maxime se numesc, respectiv, pragurile inferior și superior de dezvoltare sau zero biologic inferior și superior. Temperaturile care se situează peste pragul inferior de dezvoltare și nu depășesc pragul superior se numesc temperaturi efective. Cunoscând suma temperaturilor efective ale unei specii (constanta sa de temperatură C) și suma căldurii unei anumite zone (C1), putem determina posibilitatea existenței speciei. Deci, dacă C1/C este mai mare sau egal cu 1, atunci specia poate exista la o temperatură dată, dacă pentru insecte C1/C > 2, atunci sunt posibile 2 sau mai multe generații.
Dezvoltarea animalelor endoterme depinde într-o măsură mai mică de temperatura mediului ambiant, deși ele se caracterizează și prin anumite optime, pessimum și praguri de existență în general. Astfel, puii de rozătoare asemănătoare șoarecilor se dezvoltă de 10 ori mai încet toamna și iarna, dar până la pubertate se dovedesc a fi mai mari decât în perioada de vara. Acest lucru se manifestă și la alte specii, incl. si omul.
Influența temperaturii se manifestă într-o serie de adaptări morfologice. Astfel, în zona arctică și în zonele înalte (unde este puțină căldură), sunt frecvente plante târâtoare, în formă de pernă și rozetă, evitând efectele negative ale temperaturilor scăzute sub zăpadă. Pentru plante și animale ectoterme, suma temperaturilor efective este constantă dacă alți factori sunt optimi. Astfel, căpșunile înfloresc la suma temperaturilor efective., ouăle de pește păstrăv se dezvoltă la 205 zile, la - 82 de zile și la - 41 de zile. Frig extrem iar căldura extremă provoacă uneori să cadă cele mai sensibile părți ale corpului plantelor (flori, ovare) sau duc la o stare de repaus forțat.
Adaptările morfologice la temperatură se manifestă destul de clar la animale, la care se formează caracteristici precum suprafața reflectorizantă a corpului, puf, pene sau păr și depozite de grăsime. Astfel, majoritatea animalelor din Arctica și munții înalți sunt de culoare închisă, dar locuitorii latitudini joase Suprafata este lucioasa si reflectorizanta. Animalele endoterme (cu sânge cald) de la latitudini mari tind să fie mai mari specii înrudite trăind în climă caldă. Aceasta contribuie scădere relativă transferul de căldură, deoarece suprafața relativă a corpului scade. La animalele cu sânge rece se observă modelul opus (regula lui Bergmann).
Dimensiunile părților proeminente ale corpului variază, de asemenea, în funcție de temperatura mediului. Speciile care trăiesc în climă mai rece tind să aibă membre, urechi și cozi mai mici decât speciile înrudite din climă mai caldă (regula lui Allen).
A treia regulă, cunoscută sub numele de regula lui Gloger, afirmă că culoarea animalelor în climatul rece și uscat este comparativ mai deschisă decât în climatul cald și umed. În plus, la specii țările calde greutatea organelor metabolice (inima, rinichii, ficatul) este mai mică decât cea a indivizilor din aceeași specie care trăiesc în zone mai reci.
Cum model general Există o întârziere în dezvoltarea fenomenelor fenologice cu 4 zile cu un avans pentru fiecare grad de latitudine și 5 grade de longitudine (legea bioclimatică a lui A. Hopkins).
Adaptările se manifestă și la nivelul proceselor fizico-chimice care au loc în celule, țesuturi și organe. Astfel, odată cu scăderea temperaturii în celulele vegetale, concentrația soluțiilor crește, presiunea osmotică a sevei celulare crește, conținutul de lichid liber scade și cantitatea de apa legata. O adaptare importantă la temperaturi scăzute este depunerea de rezervă nutrienți(grăsimi, uleiuri, glicogen, acid ascorbic), care conferă citoplasmei rezistență la îngheț și la alte efecte adverse ale iernii.
Efectul temperaturii asupra organismelor
Temperatura este cel mai important dintre factorii limitatori. Limitele de toleranță pentru orice specie sunt maxim Și temperatura minimă letală , dincolo de care specii biologice sunt afectate mortal de căldură sau frig (Fig. 2.1). În afară de unele excepții unice, toate lucrurile vii sunt capabile să trăiască la temperaturi cuprinse între 0 și 50 ° C, ceea ce se datorează proprietăților protoplasmei celulelor.
Orez. 2.1 Legea generală a rezistenței biologice (după M. Lamott)
În fig. Figura 2.1 prezintă limitele de temperatură ale vieții unui grup de specii sau populație. În „intervalul optim”, organismele se simt confortabil, se reproduc activ, iar populația crește. În părțile extreme ale acestui interval, ¾ zone de „activitate vitală redusă”, ¾ organisme se simt deprimate. Cu răcire suplimentară în „limita inferioară a rezistenței” sau creșterea căldurii în „limita inferioară a rezistenței” Limita superioară rezistență, organismele intră în „zona morții” și mor.
Acest exemplu ilustrează drept comun rezistenta biologica(după M. Lamott), aplicabil oricăruia dintre factorii limitatori importanți. Valoarea „intervalului optim” caracterizează „magnitudinea” rezistenței organismelor, adică cantitatea de toleranță la acest factor, sau ʼʼvalența ecologicăʼʼ.
Procesele de adaptare la animale în raport cu temperatura au dus la apariția animalelor poikiloterme și homeoterme. Marea majoritate a animalelor sunt poikilotermic, adică temperatura propriului corp se modifică odată cu modificările temperaturii mediului – amfibieni, reptile, insecte etc.
Postat pe ref.rf
O proporție semnificativ mai mică de animale ¾ homeotermic, adică au o temperatură constantă a corpului, independent de temperatura mediului extern: mamifere (inclusiv oamenii) cu o temperatură corporală de 36-37 ° C și păsări cu o temperatură corporală de 40 ° C.
Doar animalele homeoterme pot duce o viață activă la temperaturi sub zero. Deși poikilotermele pot rezista la temperaturi cu mult sub zero, își pierd mobilitatea. O temperatură de aproximativ plus 40 °C, adică chiar sub temperatura de coagulare a proteinei, este limita pentru majoritatea animalelor.
Temperatura joacă un rol nu mai puțin important în viața plantelor. Când temperatura crește cu 10 °C, intensitatea fotosinteză se dublează, dar numai până la plus 30-35 °C, apoi intensitatea scade și la plus 40-45 °C fotosinteza se oprește cu totul. La 50 °C, majoritatea plantelor terestre mor, ceea ce este asociat cu intensificarea respirației plantelor pe măsură ce temperatura crește și apoi se oprește la 50 °C.