Разнообразието на живота на нашата планета е поразително със своите мащаби. Последните проучвания на канадски учени дават цифра от 8,7 милиона вида животни, растения, гъби и микроорганизми, които обитават нашата планета. Освен това, само около 20% от тях са описани, а това са 1,5 милиона вида, известни ни. Живите организми са населили всички екологични ниши на планетата. Няма място в биосферата, където да няма живот. В отворите на вулканите и на върха на Еверест – навсякъде откриваме живот в различните му проявления. И несъмнено природата дължи такова разнообразие и разпространение на появата в процеса на еволюция на феномена топлокръвност (хомеотермични организми).
Границата на живота е температура
В основата на живота е метаболизмът на тялото, който зависи от скоростта и естеството на химичните процеси. НОтези химични реакции са възможни само в определен температурен диапазон, със свои собствени показатели и продължителност на експозиция. За по-голям брой организми граничните показатели на температурния режим на околната среда се считат от 0 до +50 градуса по Целзий.
Но това е спекулативно заключение. По-точно би било да се каже, че температурните граници на живота ще бъдат тези, при които няма денатурация на протеини, както и необратими промени в колоидните характеристики на цитоплазмата на клетките, нарушение на активността на жизненоважните ензими. И много организми са развили високоспециализирани ензимни системи, които са им позволили да живеят в условия далеч отвъд тези граници.
Класификация на околната среда
Границите на оптималните температури на живот определят разделянето на формите на живот на планетата на две групи - криофили и термофили. Първата група предпочита студа за цял живот и е специализирана за живот в такива условия. Повече от 80% от биосферата на планетата са студени райони със средна температура от +5 °C. Това са дълбините на океаните, пустините на Арктика и Антарктика, тундрата и планините. Повишената студоустойчивост се осигурява от биохимични адаптации.
Ензимната система на криофилите ефективно понижава енергията на активиране на биологичните молекули и поддържа метаболизма в клетката при температура близка до 0 °C. В същото време адаптациите вървят в две посоки – в придобиване на устойчивост (противопоставяне) или толерантност (устойчивост) към студ. Екологичната група термофили са организми, които са оптимални зачийто живот е области с високи температури. Тяхната жизнена активност се осигурява и от специализацията на биохимичните адаптации. Струва си да се спомене, че с усложняването на организацията на тялото, способността му за термофилия намалява.
Телесна температура
Балансът на топлината в жива система е съвкупността от нейния приток и изтичане. Телесната температура на организмите зависи от температурата на околната среда (екзогенна топлина). Освен това задължителен атрибут на живота е ендогенната топлина - продукт на вътрешния метаболизъм (окислителни процеси и разграждането на аденозинтрифосфорната киселина). Жизнената активност на повечето видове на нашата планета зависи от екзогенната топлина, а телесната им температура зависи от хода на околните температури. Това са пойкилотермни организми (poikilos - различни), при които телесната температура е променлива.
Пойкилотермите са всички микроорганизми, гъби, растения, безгръбначни и повечето хордови животни. И само две групи гръбначни животни - птици и бозайници - са хомойотермни организми (homoios - подобни). Те поддържат постоянна телесна температура, независимо от температурата на околната среда. Наричат ги още топлокръвни животни. Основната им разлика е наличието на мощен поток от вътрешна топлина и система от терморегулаторни механизми. В резултат на това в хомойотермичните организми всички физиологични процеси се извършват при оптимални и постоянни температури.
Вярно и невярно
Някои пойкилотермиорганизми като риби и бодлокожи също имат постоянна телесна температура. Те живеят в условия на постоянни външни температури (дълбините на океана или пещери), където температурата на околната среда не се променя. Те се наричат фалшиво хомойотермни организми. Много животни, които изпитват хибернация или временно изтръпване, имат променливи телесни температури. Тези наистина хомойотермични организми (примери: мармоти, прилепи, таралежи, бързеи и други) се наричат хетеротермни.
Скъпа ароморфоза
Появата на хомойотермия при живи същества е еволюционно придобиване с много енергия. Учените все още спорят за произхода на тази прогресивна промяна в структурата, която доведе до повишаване на нивото на организация. Предложени са много теории за произхода на топлокръвните организми. Някои изследователи признават, че дори динозаврите биха могли да имат тази функция. Но с всички разногласия на учените, едно е сигурно: появата на хомойотермни организми е биоенергийно явление. А усложняването на формите на живот е свързано с функционалното подобряване на механизмите за пренос на топлина.
Температурна компенсация
Способността на някои пойкилотермни организми да поддържат постоянно ниво на метаболитни процеси в широк диапазон от промени в телесната температура се осигурява от биохимични адаптации и се нарича температурна компенсация. Той се основава на способността на някои ензими да променят конфигурацията си с понижаване на температурата и да увеличават афинитета си към субстрата, увеличавайки скоростта на реакциите. Например при двучерупчести мидиВ Баренцово море консумацията на кислород не зависи от околните температури, които варират от 25 °C (+5 до +30 °C).
Междинни форми
Еволюционните биолози са открили същите представители на преходни форми от пойкилотермни към топлокръвни бозайници. Канадски биолози от университета Брок откриха сезонна топлокръвност в аржентинското черно-бяло тегу (Alvator merianae). Този почти метров гущер живее в Южна Америка. Подобно на повечето влечуги, тегу се припича на слънце през деня, а през нощта се крие в дупки и пещери, където се охлажда. Но през размножителния сезон от септември до октомври температурата на тегу, дихателната честота и ритъмът на сърдечните контракции сутрин рязко се повишават. Температурата на тялото на гущера може да надвиши температурата в пещера с десет градуса. Това доказва прехода на формите от хладнокръвни към хомойотермични животни.
Механизми на терморегулация
Хомойотермичните организми винаги работят, за да осигурят работата на основните системи - кръвоносна, дихателна, отделителна - чрез генериране на минимално производство на топлина. Този минимум, произведен в покой, се нарича основен метаболизъм. Преходът към активно състояние при топлокръвните животни увеличава производството на топлина и те се нуждаят от механизми за увеличаване на преноса на топлина, за да предотвратят денатурацията на протеина.
Процесът за постигане на баланс между тези процеси се осигурява чрез химическа и физическа терморегулация. Тези механизми осигуряват защита на хомойотермичните организми от ниски температури ипрегряване. Механизмите за поддържане на постоянна телесна температура (химическа и физическа терморегулация) имат различни източници и са много разнообразни.
Химична терморегулация
В отговор на понижаване на температурата на околната среда, топлокръвните животни рефлекторно увеличават производството на ендогенна топлина. Това се постига чрез засилване на окислителните процеси, особено в мускулните тъкани. Некоординираното мускулно съкращение (треперене) и терморегулаторният тонус са първите етапи на увеличаване на производството на топлина. В същото време липидният метаболизъм се засилва, а мастната тъкан става ключът към по-добрата терморегулация. Бозайниците в студен климат дори имат кафява мазнина, цялата топлина от чието окисляване отива за затопляне на тялото. Този разход на енергия изисква животното или да консумира голямо количество храна, или да има значителни запаси от мазнини. При липса на тези ресурси, химическата терморегулация има своите граници.
Механизми на физическа терморегулация
Този тип терморегулация не изисква допълнителни разходи за генериране на топлина, а се осъществява чрез запазване на ендогенната топлина. Осъществява се чрез изпаряване (изпотяване), излъчване (радиация), топлопроводимост (проводимост) и конвекция на кожата. Методите за физическа терморегулация са се развили в хода на еволюцията и стават все по-съвършени при изучаване на филогенетичните серии от насекомоядни и прилепи до бозайници.
Пример за такова регулиране е стесняването или разширяването на кръвоносните капиляри на кожата, което се променятоплопроводимост, топлоизолационни свойства на козината и перата, противоточен топлообмен на кръвта между повърхностните съдове и съдовете на вътрешните органи. Разсейването на топлината се регулира от наклона на козината и перата, между които се поддържа въздушна междина.
При морските бозайници подкожната мазнина се разпределя в цялото тяло, предпазвайки ендо-топлината. Например, при тюлени такава мастна торба достига до 50% от общото тегло. Ето защо снегът не се топи под тюлените, лежащи на леда с часове. За животните, живеещи в горещ климат, равномерното разпределение на телесните мазнини по цялата повърхност на тялото би било фатално. Следователно мазнините им се натрупват само в определени части на тялото (гърбица на камила, дебела опашка на овца), което не пречи на изпарението от цялата повърхност на тялото. Освен това животните от северния студен климат имат специална мастна тъкан (кафява мазнина), която се използва изцяло за отопление на тялото.
По-южно - по-големи уши и по-дълги крака
Различните части на тялото далеч не са еквивалентни по отношение на преноса на топлина. За поддържане на топлопреминаването е важно съотношението на повърхността на тялото и неговия обем, тъй като обемът на вътрешната топлина зависи от масата на тялото, а топлопреминаването се осъществява през обвивките. Изпъкналите части на тялото имат голяма повърхност, което е добре за горещ климат, където топлокръвните животни се нуждаят от много топлопренасяне. Например, големите уши с много кръвоносни съдове, дълги крайници и опашка са типични за жителите на горещ климат (слон, лисица фенек, африканскадългоух тушканчик). При студени условия адаптацията следва пътя на спестяване на площ към обем (уши и опашка на тюлените).
Има и друг закон за топлокръвните животни – колкото по-на север живеят представители на една филогенетична група, толкова по-големи са те. И това също е свързано с съотношението на обема на изпарителната повърхност и съответно топлинните загуби и масата на животното.
Етология и пренос на топлина
Поведенческите характеристики също играят важна роля в процесите на пренос на топлина, както за пойкилотермни, така и за хомеотермични животни. Това включва и промени в стойката, и изграждането на убежища, и различни миграции. Колкото по-голяма е дълбочината на отвора, толкова по-плавен е ходът на температурите. За средните географски ширини, на дълбочина от 1,5 метра, сезонните температурни колебания са незабележими.
Груповото поведение се използва и за терморегулация. И така, пингвините се скупчват, плътно прилепнали един към друг. В купчината температурата е близка до телесната температура на пингвините (+37 ° C) дори при най-тежките студове. Камилите правят същото - в центъра на групата температурата е около +39 °C, а козината на най-отдалечените животни може да се нагрее до +70 °C.
Хибернацията е специална стратегия
Торпидно състояние (ступор) или хибернация са специални стратегии на топлокръвни животни, които позволяват използването на промените в телесната температура за адаптивни цели. В това състояние животните спират да поддържат телесната температура и я намаляват почти до нула. Хибернацията се характеризира с намаляване на скоростта на метаболизма ипотребление на натрупани ресурси. Това е добре регулирано физиологично състояние, когато терморегулаторните механизми преминават на по-ниско ниво - сърдечната честота намалява (например при сънли от 450 до 35 удара в минута), консумацията на кислород намалява с 20-100 пъти.
Пробуждането изисква енергия и става чрез самозатопляне, което не бива да се бърка с ступора на хладнокръвните животни, където се причинява от понижаване на температурата на околната среда и е състояние, нерегулирано от самото тяло (събуждане възниква под влияние на външни фактори).
Ступорът също е регулирано състояние, но телесната температура спада само с няколко градуса и често придружава циркадните ритми. Например, колибрите вцепеняват през нощта, когато телесната им температура падне от 40°C до 18°C. Има много преходи между вцепеняване и хибернация. Така че, въпреки че наричаме съня на мечките през зимна хибернация, всъщност метаболизмът им намалява леко и телесната им температура пада само с 3-6 ° C. В това състояние мечката ражда малки.
Защо има малко хомойотермни организми във водната среда
Сред хидробионтите (организми, живеещи във водната среда) има малко представители на топлокръвни животни. Китовете, делфините, морските тюлени са вторични водни животни, които са се върнали във водната среда от сушата. Топлокръвността се свързва преди всичко с увеличаване на метаболитните процеси, в основата на които са реакциите на окисление. И кислородът играе основна роля тук. И, както знаете, ввъв водната среда съдържанието на кислород не е по-високо от 1 обемни процента. Дифузията на кислород във водата е хиляди пъти по-малка, отколкото във въздуха, което я прави още по-малко достъпна. Освен това с повишаване на температурата и обогатяване на водата с органични съединения съдържанието на кислород намалява. Всичко това прави съществуването на голям брой топлокръвни организми във водната среда енергийно неблагоприятно.
Плюсове и минуси
Основното предимство на топлокръвните животни пред студенокръвните е тяхната готовност да действат независимо от температурата на околната среда. Това е възможност да издържате на нощни температури, близки до замръзване, и развитието на северните територии на земята.
Основният недостатък на топлокръвността е високата консумация на енергия за поддържане на постоянна телесна температура. И основният източник за това е храната. Топлокръвен лъв се нуждае от десет пъти повече храна от хладнокръвен крокодил със същото тегло.
