Meie planeedi elustiku mitmekesisus on oma ulatuselt silmatorkav. Kanada teadlaste hiljutised uuringud näitavad, et meie planeedil elab 8,7 miljonit looma-, taime-, seen- ja mikroorganismiliiki. Veelgi enam, neist on kirjeldatud vaid umbes 20% ja see on 1,5 miljonit meile teadaolevat liiki. Elusorganismid on asustanud kõik planeedi ökoloogilised nišid. Biosfääris pole kohta, kus poleks elu. Vulkaanide tuulutusavades ja Everesti tipus - kõikjal leiame elu selle erinevates ilmingutes. Ja kahtlemata võlgneb loodus sellise mitmekesisuse ja leviku soojaverelisuse nähtuse (homeotermiliste organismide) ilmumisele evolutsiooniprotsessis.
Elu piiriks on temperatuur
Elu aluseks on organismi ainevahetus, mis sõltub keemiliste protsesside kiirusest ja iseloomust. AGAneed keemilised reaktsioonid on võimalikud ainult teatud temperatuurivahemikus, millel on oma näitajad ja kokkupuute kestus. Suurema hulga organismide puhul loetakse keskkonna temperatuurirežiimi piirnäitajateks 0 kuni +50 kraadi Celsiuse järgi.
Aga see on spekulatiivne järeldus. Õigem oleks öelda, et elutemperatuuri piirid on need, mille juures ei toimu valkude denatureerumist, aga ka pöördumatud muutused rakkude tsütoplasma kolloidsetes omadustes, elutähtsate ensüümide aktiivsuse rikkumine. Ja paljud organismid on välja töötanud väga spetsiifilised ensümaatilised süsteemid, mis on võimaldanud neil elada tingimustes, mis ületavad neid piire.
Keskkonnaklassifikatsioon
Optimaalsete elutemperatuuride piirid määravad planeedi eluvormide jagunemise kahte rühma – krüofiilideks ja termofiilideks. Esimene rühm eelistab eluaegset külma ja on sellistes tingimustes eluks spetsialiseerunud. Rohkem kui 80% planeedi biosfäärist moodustavad külmad piirkonnad, mille keskmine temperatuur on +5 °C. Need on ookeanide sügavused, Arktika ja Antarktika kõrbed, tundra ja mägismaa. Suurenenud külmakindluse tagavad biokeemilised kohandused.
Krüofiilide ensümaatiline süsteem alandab tõhus alt bioloogiliste molekulide aktivatsioonienergiat ja hoiab rakus ainevahetust 0 °C lähedasel temperatuuril. Samal ajal toimuvad kohanemised kahes suunas - külmakindluse (opositsioon) või külmakindluse (resistentsuse) omandamisel. Termofiilide ökoloogiline rühm on organismid, mis on nende jaoks optimaalsedkelle elu on kõrge temperatuuriga alad. Nende elutegevuse tagab ka biokeemiliste kohanemiste spetsialiseerumine. Tasub mainida, et keha organiseerituse komplitseerimisega väheneb selle termofiiliavõime.
Kehatemperatuur
Elavsüsteemi soojusbilanss on selle sisse- ja väljavoolu kogusumma. Organismide kehatemperatuur sõltub ümbritsevast temperatuurist (eksogeenne soojus). Lisaks on elu kohustuslik atribuut endogeenne soojus – sisemise ainevahetuse produkt (oksüdatiivsed protsessid ja adenosiintrifosforhappe lagunemine). Enamiku liikide elutegevus meie planeedil sõltub eksogeensest soojusest ja nende kehatemperatuur sõltub ümbritseva õhu temperatuuride kulgemisest. Need on poikilotermilised organismid (poikilos – mitmesugused), mille kehatemperatuur on muutuv.
Poikilotermid on kõik mikroorganismid, seened, taimed, selgrootud ja enamik akorde. Ja ainult kaks selgroogsete rühma - linnud ja imetajad - on homoiotermilised organismid (homoios - sarnased). Nad hoiavad püsivat kehatemperatuuri, sõltumata ümbritsevast temperatuurist. Neid nimetatakse ka soojaverelisteks loomadeks. Nende peamine erinevus seisneb võimsa sisemise soojusvoo ja termoregulatsioonimehhanismide süsteemi olemasolus. Selle tulemusena toimuvad homoiotermilistes organismides kõik füsioloogilised protsessid optimaalsetel ja püsivatel temperatuuridel.
Tõsi ja vale
Mõned poikilotermidorganismidel nagu kalad ja okasnahksed on samuti püsiv kehatemperatuur. Nad elavad püsiva välistemperatuuri tingimustes (ookeani sügavused või koopad), kus ümbritseva õhu temperatuur ei muutu. Neid nimetatakse valehomoiotermilisteks organismideks. Paljudel loomadel, kes kogevad talveund või ajutist torporit, on kehatemperatuur kõikuv. Neid tõeliselt homoiotermilisi organisme (näited: marmotid, nahkhiired, siilid, kõrkjad ja teised) nimetatakse heterotermilisteks.
Kallis aromorfoos
Homoiotermia ilmnemine elusolendites on väga energiakulukas evolutsiooniline omandamine. Teadlased vaidlevad endiselt selle järkjärgulise struktuurimuutuse päritolu üle, mis viis organisatsiooni taseme tõusuni. Soojavereliste organismide päritolu kohta on välja pakutud palju teooriaid. Mõned teadlased tunnistavad, et isegi dinosaurustel võib see omadus olla. Kuid kõigi teadlaste lahkarvamuste juures on üks kindel: homoiotermiliste organismide ilmumine on bioenergeetiline nähtus. Ja eluvormide tüsistus on seotud soojusülekandemehhanismide funktsionaalse paranemisega.
Temperatuurikompensatsioon
Mõnede poikilotermiliste organismide võime säilitada ainevahetusprotsesside konstantset taset mitmesuguste kehatemperatuuri muutuste korral on tagatud biokeemiliste kohandustega ja seda nimetatakse temperatuuri kompenseerimiseks. See põhineb mõnede ensüümide võimel muuta oma konfiguratsiooni temperatuuri langedes ja suurendada nende afiinsust substraadiga, suurendades reaktsioonide kiirust. Näiteks kahepoolmelistel rannakarbidBarentsi meres ei sõltu hapnikutarbimine ümbritseva õhu temperatuurist, mis jääb vahemikku 25 °C (+5 kuni +30 °C).
Vahevormid
Evolutsioonibioloogid on leidnud samad üleminekuvormide esindajad poikilotermilistest imetajatest soojaverelisteni. Kanada Brocki ülikooli bioloogid on avastanud Argentina mustvalgete tegude (Alvator merianae) hooajalise soojaverelisuse. See peaaegu meetrine sisalik elab Lõuna-Ameerikas. Nagu enamik roomajaid, peesitab tegu päeval päikese käes ja öösel peidab end urgudesse ja koobastesse, kus see jahtub. Kuid pesitsusperioodil septembrist oktoobrini tõusevad järsult tegu temperatuur, hingamissagedus ja hommikuste südame kontraktsioonide rütm. Sisaliku kehatemperatuur võib koopa temperatuuri ületada kümne kraadi võrra. See tõestab vormide üleminekut külmaverelistest loomadest homoiotermilistesse loomadesse.
Termoregulatsiooni mehhanismid
Homoiotermilised organismid töötavad alati selle nimel, et tagada peamiste süsteemide – vereringe-, hingamis-, eritussüsteemi – töö, tekitades minimaalse soojuse tootmise. Seda puhkeolekus tekkivat miinimumi nimetatakse põhiainevahetuseks. Soojavereliste loomade üleminek aktiivsele olekule suurendab soojuse tootmist ja nad vajavad mehhanisme soojusülekande suurendamiseks, et vältida valkude denaturatsiooni.
Nende protsesside vahelise tasakaalu saavutamise protsessi tagab keemiline ja füüsikaline termoregulatsioon. Need mehhanismid kaitsevad homoiotermilisi organisme madalate temperatuuride jaülekuumenemine. Konstantse kehatemperatuuri hoidmise mehhanismidel (keemiline ja füüsiline termoregulatsioon) on erinevad allikad ja need on väga mitmekesised.
Keemiline termoregulatsioon
Vastav alt keskkonnatemperatuuri langusele suurendavad soojaverelised loomad refleksiivselt endogeense soojuse tootmist. See saavutatakse oksüdatiivsete protsesside suurendamisega, eriti lihaskudedes. Koordineerimata lihaste kokkutõmbumine (värin) ja termoregulatsiooni toonus on soojuse tootmise suurenemise esimesed etapid. Samal ajal kiireneb lipiidide ainevahetus ja rasvkoest saab parema termoregulatsiooni võti. Imetajatel on külmas kliimas isegi pruuni rasva, mille oksüdeerumisest tulenev kogu soojus läheb keha soojendamiseks. See energiakulu nõuab loom alt kas suure koguse toidu tarbimist või märkimisväärseid rasvavarusid. Nende ressursside puudumisel on keemilisel termoregulatsioonil piirid.
Füüsikalise termoregulatsiooni mehhanismid
Seda tüüpi termoregulatsioon ei nõua soojuse tootmiseks lisakulusid, vaid seda teostatakse endogeense soojuse säilitamise teel. See viiakse läbi naha aurustamise (higistamise), kiirguse (kiirguse), soojusjuhtivuse (juhtivuse) ja konvektsiooni teel. Füüsikalise termoregulatsiooni meetodid on arenenud evolutsiooni käigus ja muutuvad üha täiuslikumaks, uurides fülogeneetilisi seeriaid putuktoidulistest ja nahkhiirtest kuni imetajateni.
Sellise regulatsiooni näiteks on naha verekapillaaride ahenemine või laienemine, mis muutubsoojusjuhtivus, karusnaha ja sulgede soojust isoleerivad omadused, vere vastuvoolu soojusvahetus pindmiste veresoonte ja siseorganite veresoonte vahel. Soojuse hajumist reguleerib karvakarva ja sulgede kalle, mille vahel säilib õhuvahe.
Mereimetajatel jaotub nahaalune rasv kogu kehas, kaitstes sisesoojust. Näiteks hüljestel ulatub selline rasvakott kuni 50%-ni kogukaalust. Seetõttu ei sula lumi jääl lebavate hüljeste all tunde. Kuumas kliimas elavatele loomadele oleks surmav keharasva ühtlane jaotumine kogu kehapinnal. Seetõttu koguneb nende rasv ainult teatud kehaosadesse (kaameli küür, lamba rasvasaba), mis ei takista aurustumist kogu kehapinn alt. Lisaks on põhjamaise külma kliima loomadel spetsiaalne rasvkude (pruun rasv), mida kasutatakse täielikult keha soojendamiseks.
Lõunapoolsem – suuremad kõrvad ja pikemad jalad
Erinevad kehaosad pole soojusülekande poolest kaugeltki samaväärsed. Soojusülekande säilitamiseks on oluline kehapinna ja selle ruumala suhe, sest sisesoojuse maht sõltub keha massist ning soojusülekanne toimub läbi naha. Väljaulatuvad kehaosad on suure pinnaga, mis on hea kuuma kliima jaoks, kus soojaverelised loomad vajavad palju soojusülekannet. Näiteks suured kõrvad paljude veresoonte, pikkade jäsemete ja sabaga on tüüpilised kuuma kliima elanikele (elevant, fenneki rebane, aafrikapikakõrvaline jerboa). Külmades oludes järgib kohanemine ala säästmise teed mahu järgi (hüljeste kõrvad ja saba).
Soojaverelistele loomadele kehtib veel üks seadus – mida kaugemal põhja pool ühe fülogeneetilise rühma esindajad elavad, seda suuremad nad on. Ja see on seotud ka aurustuspinna ruumala ja vastav alt soojuskao suhtega ning looma massiga.
Etoloogia ja soojusülekanne
Soojusülekande protsessides mängivad nii poikilotermiliste kui ka homöotermiliste loomade puhul olulist rolli ka käitumisomadused. See hõlmab kehahoiaku muutusi, varjualuste ehitamist ja mitmesuguseid rändeid. Mida suurem on augu sügavus, seda sujuvam on temperatuuride kulg. Keskmistel laiuskraadidel, 1,5 meetri sügavusel, on hooajalised temperatuurikõikumised märkamatud.
Rühma käitumist kasutatakse ka termoregulatsiooniks. Niisiis, pingviinid tõmbuvad kokku, klammerduvad tihed alt üksteise külge. Kuhja sees on temperatuur pingviinide kehatemperatuuri lähedal (+37 ° C) isegi kõige tõsisemate külmade korral. Kaamelid teevad sama - rühma keskel on temperatuur umbes +39 °C, äärepoolseimate loomade karv võib soojendada kuni +70 °C.
Talveunerežiim on eriline strateegia
Torpid seisund (stuupor) ehk talveune on soojavereliste loomade eristrateegiad, mis võimaldavad kasutada kehatemperatuuri muutusi kohanemiseks. Selles olekus loomad lõpetavad kehatemperatuuri hoidmise ja vähendavad selle peaaegu nullini. Talveuneperioodi iseloomustab ainevahetuse kiiruse langus jaakumuleeritud ressursside tarbimine. See on hästi reguleeritud füsioloogiline seisund, kui termoregulatsiooni mehhanismid lülituvad madalamale tasemele – pulss langeb (näiteks magamishiirel 450-lt 35 löögile minutis), hapnikutarbimine väheneb 20-100 korda.
Ärkamine nõuab energiat ja toimub enesesoojenemisel, mida ei tohiks segi ajada külmavereliste loomade uimastusega, kus see on põhjustatud ümbritseva õhu temperatuuri langusest ja on keha enda poolt reguleerimata seisund (ärkamine tekib välistegurite mõjul).
Stuupor on samuti reguleeritud seisund, kuid kehatemperatuur langeb vaid mõne kraadi võrra ja kaasneb sageli ööpäevarütmidega. Näiteks koolibrid muutuvad tuimaks öösel, kui nende kehatemperatuur langeb 40°C-lt 18°C-le. Torpori ja talveunerežiimi vahel on palju üleminekuid. Ehkki me nimetame karude und talviseks talveuneks, väheneb tegelikult nende ainevahetus veidi ja kehatemperatuur langeb vaid 3–6 ° C. Just sellises olekus sünnitab karu poegi.
Miks on veekeskkonnas vähe homoiotermilisi organisme
Hüdrobiontide (veekeskkonnas elavate organismide) hulgas on vähe soojavereliste loomade esindajaid. Vaalad, delfiinid, karushülged on sekundaarsed veeloomad, kes on maisma alt veekeskkonda naasnud. Soojaverelisus on seotud eelkõige ainevahetusprotsesside kiirenemisega, mille aluseks on oksüdatsioonireaktsioonid. Ja hapnik mängib siin suurt rolli. Ja nagu teate, sisseveekeskkonnas ei ole hapnikusisaldus suurem kui 1 mahuprotsenti. Hapniku difusioon vees on tuhandeid kordi väiksem kui õhus, mistõttu on see veelgi vähem kättesaadav. Lisaks väheneb hapnikusisaldus temperatuuri tõustes ja vee rikastumisel orgaaniliste ühenditega. Kõik see muudab suure hulga soojavereliste organismide olemasolu veekeskkonnas energeetiliselt ebasoodsaks.
Pussid ja miinused
Soojavereliste loomade peamine eelis külmavereliste ees on nende tegutsemisvalmidus sõltumata ümbritseva õhu temperatuurist. See on võimalus taluda külmumislähedasi öiseid temperatuure ja maa põhjaterritooriumide arengut.
Soojaverelisuse peamiseks puuduseks on suur energiakulu püsiva kehatemperatuuri hoidmiseks. Ja selle peamine allikas on toit. Soojavereline lõvi vajab kümme korda rohkem toitu kui sama kaaluga külmavereline krokodill.
