De diversiteit van het leven op onze planeet is opvallend in zijn omvang. Recente studies door Canadese wetenschappers geven een cijfer van 8,7 miljoen soorten dieren, planten, schimmels en micro-organismen die onze planeet bewonen. Bovendien is er maar zo'n 20% van beschreven, en dat zijn 1,5 miljoen soorten die ons bekend zijn. Levende organismen hebben alle ecologische niches op de planeet bevolkt. Er is geen plaats in de biosfeer waar geen leven zou zijn. In de openingen van vulkanen en op de top van de Everest - overal vinden we leven in zijn verschillende verschijningsvormen. En ongetwijfeld heeft de natuur zo'n diversiteit en verspreiding te danken aan het verschijnen in het evolutieproces van het fenomeen warmbloedigheid (homeothermische organismen).
De grens van het leven is temperatuur
De basis van het leven is de stofwisseling van het lichaam, die afhangt van de snelheid en aard van chemische processen. MAARdeze chemische reacties zijn alleen mogelijk in een bepaald temperatuurbereik, met hun eigen indicatoren en blootstellingsduur. Voor een groter aantal organismen worden de grensindicatoren van het temperatuurregime van de omgeving beschouwd als van 0 tot +50 graden Celsius.
Maar dit is een speculatieve conclusie. Het zou nauwkeuriger zijn om te zeggen dat de temperatuurgrenzen van het leven die zijn waarbij er geen denaturatie van eiwitten is, evenals onomkeerbare veranderingen in de colloïdale kenmerken van het cytoplasma van cellen, een schending van de activiteit van vitale enzymen. En veel organismen hebben zeer gespecialiseerde enzymatische systemen ontwikkeld waardoor ze in omstandigheden ver buiten deze grenzen kunnen leven.
Milieuclassificatie
De grenzen van optimale levenstemperaturen bepalen de verdeling van levensvormen op de planeet in twee groepen - cryofielen en thermofielen. De eerste groep geeft de voorkeur aan kou voor het leven en is gespecialiseerd in het leven in dergelijke omstandigheden. Meer dan 80% van de biosfeer van de planeet bestaat uit koude gebieden met een gemiddelde temperatuur van +5 °C. Dit zijn de diepten van de oceanen, de woestijnen van de Arctische en Antarctische wateren, de toendra en de hooglanden. Verhoogde koudebestendigheid wordt geleverd door biochemische aanpassingen.
Het enzymatische systeem van cryofielen verlaagt effectief de activeringsenergie van biologische moleculen en houdt het metabolisme in de cel op een temperatuur van bijna 0 °C. Tegelijkertijd gaan aanpassingen in twee richtingen - in het verwerven van weerstand (oppositie) of tolerantie (weerstand) tegen kou. De ecologische groep van thermofielen zijn organismen die optimaal zijn voorwiens leven gebieden zijn met hoge temperaturen. Hun levensactiviteit wordt ook geleverd door de specialisatie van biochemische aanpassingen. Het is vermeldenswaard dat met de complicatie van de organisatie van het lichaam, het vermogen tot thermofilie afneemt.
Lichaamstemperatuur
De balans van warmte in een levend systeem is de totaliteit van zijn instroom en uitstroom. De lichaamstemperatuur van organismen is afhankelijk van de omgevingstemperatuur (exogene warmte). Bovendien is endogene warmte een verplicht kenmerk van het leven - een product van het interne metabolisme (oxidatieve processen en de afbraak van adenosinetrifosforzuur). De vitale activiteit van de meeste soorten op onze planeet hangt af van exogene warmte en hun lichaamstemperatuur hangt af van het verloop van de omgevingstemperaturen. Dit zijn poikilotherme organismen (poikilos - verschillende), waarbij de lichaamstemperatuur variabel is.
Poikilothermen zijn alle micro-organismen, schimmels, planten, ongewervelde dieren en de meeste akkoorden. En slechts twee groepen gewervelde dieren - vogels en zoogdieren - zijn homoiotherme organismen (homoios - vergelijkbaar). Ze behouden een constante lichaamstemperatuur, ongeacht de omgevingstemperatuur. Ze worden ook wel warmbloedige dieren genoemd. Hun belangrijkste verschil is de aanwezigheid van een krachtige stroom van interne warmte en een systeem van thermoregulerende mechanismen. Als gevolg hiervan worden in homoiotherme organismen alle fysiologische processen uitgevoerd bij optimale en constante temperaturen.
Waar en niet waar
Sommige poikilothermenorganismen zoals vissen en stekelhuidigen hebben ook een constante lichaamstemperatuur. Ze leven in omstandigheden met constante buitentemperaturen (de diepten van de oceaan of grotten), waar de omgevingstemperatuur niet verandert. Ze worden valselijk homoiotherme organismen genoemd. Veel dieren die een winterslaap of tijdelijke verdoving ervaren, hebben fluctuerende lichaamstemperaturen. Deze werkelijk homo-iothermische organismen (voorbeelden: marmotten, vleermuizen, egels, gierzwaluwen en andere) worden heterothermisch genoemd.
Lieve aromorfose
Het optreden van homoiothermie bij levende wezens is een zeer energieverslindende evolutionaire aanwinst. Wetenschappers zijn nog steeds aan het discussiëren over de oorsprong van deze progressieve verandering in structuur, die leidde tot een verhoging van het organisatieniveau. Er zijn veel theorieën voorgesteld over de oorsprong van warmbloedige organismen. Sommige onderzoekers geven toe dat zelfs dinosaurussen deze functie zouden kunnen hebben. Maar met alle meningsverschillen van wetenschappers, is één ding zeker: het verschijnen van homo-iothermische organismen is een bio-energetisch fenomeen. En de complicatie van levensvormen wordt geassocieerd met de functionele verbetering van warmteoverdrachtsmechanismen.
Temperatuurcompensatie
Het vermogen van sommige poikilotherme organismen om een constant niveau van metabolische processen in een breed scala van veranderingen in lichaamstemperatuur te handhaven, wordt geleverd door biochemische aanpassingen en wordt temperatuurcompensatie genoemd. Het is gebaseerd op het vermogen van sommige enzymen om hun configuratie te veranderen bij afnemende temperatuur en om hun affiniteit met het substraat te vergroten, waardoor de reactiesnelheid toeneemt. Bijvoorbeeld in tweekleppige mosselenIn de Barentszzee is het zuurstofverbruik niet afhankelijk van de omgevingstemperatuur, die varieert van 25 °C (+5 tot +30 °C).
Tussenvormen
Evolutionaire biologen hebben dezelfde vertegenwoordigers gevonden van overgangsvormen van poikilotherme tot warmbloedige zoogdieren. Canadese biologen van de Brock University hebben seizoensgebonden warmbloedigheid ontdekt in de Argentijnse zwart-witte tegu (Alvator merianae). Deze bijna meter hoge hagedis leeft in Zuid-Amerika. Zoals de meeste reptielen, koestert de tegu zich overdag in de zon en verbergt hij zich 's nachts in holen en grotten, waar het afkoelt. Maar tijdens het broedseizoen van september tot oktober nemen de temperatuur van de tegu, de ademhalingsfrequentie en het ritme van hartcontracties in de ochtend sterk toe. De lichaamstemperatuur van een hagedis kan tien graden hoger zijn dan de temperatuur in een grot. Dit bewijst de overgang van vormen van koudbloedige dieren naar homo-iothermische dieren.
Mechanismen van thermoregulatie
Homoiothermische organismen werken altijd om de werking van de belangrijkste systemen - bloedsomloop, ademhaling, excretie - te verzekeren door een minimum aan warmteproductie te genereren. Dit minimum dat in rust wordt geproduceerd, wordt basaal metabolisme genoemd. De overgang naar de actieve toestand bij warmbloedige dieren verhoogt de warmteproductie en ze hebben mechanismen nodig om de warmteoverdracht te verhogen om eiwitdenaturatie te voorkomen.
Het proces om een evenwicht tussen deze processen te bereiken wordt geleverd door chemische en fysische thermoregulatie. Deze mechanismen zorgen voor bescherming van homo-iothermische organismen tegen lage temperaturen enoververhitting. De mechanismen voor het handhaven van een constante lichaamstemperatuur (chemische en fysische thermoregulatie) hebben verschillende bronnen en zijn zeer divers.
Chemische thermoregulatie
Als reactie op een verlaging van de omgevingstemperatuur, verhogen warmbloedige dieren reflexmatig de productie van lichaamseigen warmte. Dit wordt bereikt door oxidatieve processen te verhogen, vooral in spierweefsel. Ongecoördineerde spiercontractie (trillen) en thermoregulerende tonus zijn de eerste stadia van toenemende warmteproductie. Tegelijkertijd neemt het lipidenmetabolisme toe en wordt vetweefsel de sleutel tot een betere thermoregulatie. Zoogdieren in een koud klimaat hebben zelfs bruin vet, waarvan alle hitte van de oxidatie het lichaam gaat verwarmen. Dit energieverbruik vereist dat het dier ofwel een grote hoeveelheid voedsel consumeert, ofwel over aanzienlijke vetreserves beschikt. Bij een gebrek aan deze middelen heeft chemische thermoregulatie zijn grenzen.
Mechanismen van fysieke thermoregulatie
Dit type thermoregulatie vereist geen extra kosten voor warmteopwekking, maar wordt uitgevoerd door endogene warmte te behouden. Het wordt uitgevoerd door verdamping (zweten), straling (straling), warmtegeleiding (geleiding) en convectie van de huid. Methoden voor fysieke thermoregulatie hebben zich in de loop van de evolutie ontwikkeld en worden steeds perfecter bij het bestuderen van de fylogenetische reeksen van insecteneters en vleermuizen tot zoogdieren.
Een voorbeeld van een dergelijke regulatie is de vernauwing of uitzetting van de bloedcapillairen van de huid, die verandertthermische geleidbaarheid, warmte-isolerende eigenschappen van bont en veren, tegenstroom warmte-uitwisseling van bloed tussen oppervlakkige vaten en vaten van inwendige organen. De warmteafvoer wordt geregeld door de helling van het haar en de veren van de vacht, waartussen een luchtspleet wordt gehandhaafd.
Bij zeezoogdieren wordt onderhuids vet door het lichaam verdeeld, waardoor de endo-warmte wordt beschermd. Bij seals bijvoorbeeld bereikt zo'n vetzak tot 50% van het totale gewicht. Daarom smelt de sneeuw niet onder de zeehonden die uren op het ijs liggen. Voor dieren die in warme klimaten leven, zou een gelijkmatige verdeling van lichaamsvet over het gehele oppervlak van het lichaam fataal zijn. Daarom hoopt hun vet zich alleen op in bepaalde delen van het lichaam (de bult van een kameel, de dikke staart van een schaap), wat verdamping van het hele oppervlak van het lichaam niet verhindert. Bovendien hebben dieren in het noordelijke koude klimaat een speciaal vetweefsel (bruin vet), dat volledig wordt gebruikt voor lichaamsverwarming.
Meer naar het zuiden - grotere oren en langere benen
Verschillende delen van het lichaam zijn verre van gelijkwaardig in termen van warmteoverdracht. Om de warmteoverdracht te behouden, is de verhouding van het lichaamsoppervlak en het volume ervan belangrijk, omdat het volume van de interne warmte afhangt van de massa van het lichaam en warmteoverdracht plaatsvindt via de integumenten. De uitstekende delen van het lichaam hebben een groot oppervlak, wat goed is voor warme klimaten, waar warmbloedige dieren veel warmteoverdracht nodig hebben. Zo zijn grote oren met veel bloedvaten, lange ledematen en een staart typisch voor bewoners van een warm klimaat (olifant, venkelvos, Afrikaanselangorige jerboa). In koude omstandigheden volgt de aanpassing het pad van besparing van oppervlakte naar volume (oren en staart van zeehonden).
Er is een andere wet voor warmbloedige dieren - hoe verder naar het noorden vertegenwoordigers van een fylogenetische groep leven, hoe groter ze zijn. En dit hangt ook samen met de verhouding van het volume van het verdampingsoppervlak, en daarmee het warmteverlies, en de massa van het dier.
Ethologie en warmteoverdracht
Gedragskenmerken spelen ook een belangrijke rol bij warmteoverdrachtsprocessen, zowel voor poikilotherme als homeotherme dieren. Dit omvat veranderingen in houding, en de bouw van schuilplaatsen, en verschillende migraties. Hoe groter de diepte van het gat, hoe vloeiender het temperatuurverloop. Op de middelste breedtegraden, op een diepte van 1,5 meter, zijn seizoensgebonden temperatuurschommelingen niet waarneembaar.
Groepsgedrag wordt ook gebruikt voor thermoregulatie. Dus de pinguïns kruipen bij elkaar en klampen zich stevig aan elkaar vast. Binnen in de hoop ligt de temperatuur dicht bij de lichaamstemperatuur van pinguïns (+37 ° C), zelfs bij de meest strenge vorst. Kamelen doen hetzelfde - in het midden van de groep is de temperatuur ongeveer +39 °C en de vacht van de buitenste dieren kan worden verwarmd tot +70 °C.
De winterslaap is een speciale strategie
Torpid state (stupor) of winterslaap zijn speciale strategieën van warmbloedige dieren die het mogelijk maken om veranderingen in lichaamstemperatuur te gebruiken voor adaptieve doeleinden. In deze toestand stoppen de dieren met het handhaven van de lichaamstemperatuur en verlagen deze tot bijna nul. De winterslaap wordt gekenmerkt door een afname van de stofwisseling enverbruik van geaccumuleerde hulpbronnen. Dit is een goed gereguleerde fysiologische toestand, wanneer thermoregulerende mechanismen overschakelen naar een lager niveau - de hartslag neemt af (bijvoorbeeld in een slaapmuis van 450 naar 35 slagen per minuut), het zuurstofverbruik neemt 20-100 keer af.
Ontwaken vereist energie en vindt plaats door zelfopwarming, wat niet moet worden verward met de verdoving van koudbloedige dieren, waar het wordt veroorzaakt door een verlaging van de omgevingstemperatuur en een toestand is die niet door het lichaam zelf wordt gereguleerd (ontwaken treedt op onder invloed van externe factoren).
Stupor is ook een gereguleerde toestand, maar de lichaamstemperatuur da alt met slechts een paar graden en gaat vaak gepaard met circadiaanse ritmes. Kolibries worden bijvoorbeeld 's nachts gevoelloos wanneer hun lichaamstemperatuur da alt van 40°C tot 18°C. Er zijn veel overgangen tussen verdoving en winterslaap. Dus, hoewel we de slaap van beren in de winterslaap noemen, neemt hun metabolisme in feite iets af en da alt hun lichaamstemperatuur met slechts 3-6 ° C. In deze staat baart de berin welpen.
Waarom zijn er weinig homo-iothermische organismen in het aquatisch milieu
Onder hydrobionts (organismen die in het aquatisch milieu leven) zijn er maar weinig vertegenwoordigers van warmbloedige dieren. Walvissen, dolfijnen en pelsrobben zijn secundaire waterdieren die van het land naar het aquatische milieu zijn teruggekeerd. Warmbloedigheid wordt voornamelijk geassocieerd met een toename van metabolische processen, waarvan de basis oxidatiereacties zijn. En daarbij speelt zuurstof een grote rol. En, zoals je weet, inin het aquatisch milieu is het zuurstofgeh alte niet hoger dan 1 vol.%. De diffusie van zuurstof in water is duizenden keren minder dan in lucht, waardoor het nog minder beschikbaar is. Bovendien neemt bij temperatuurstijging en verrijking van water met organische verbindingen het zuurstofgeh alte af. Dit alles maakt het bestaan van een groot aantal warmbloedige organismen in het aquatisch milieu energetisch ongunstig.
Voors en tegens
Het belangrijkste voordeel van warmbloedige dieren ten opzichte van koudbloedige is hun bereidheid om ongeacht de omgevingstemperatuur te handelen. Dit is een kans om de nachttemperaturen dicht bij het vriespunt en de ontwikkeling van de noordelijke gebieden van het land te weerstaan.
Het belangrijkste nadeel van warmbloedigheid is het hoge energieverbruik om een constante lichaamstemperatuur te behouden. En de belangrijkste bron hiervoor is voedsel. Een warmbloedige leeuw heeft tien keer meer voedsel nodig dan een koudbloedige krokodil van hetzelfde gewicht.
