ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

 

 

Температура и жизнь

Пойкилотермные животные и гомойотермные животные

 

От температуры окружающей среды зависит температура тела большинства организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Нормальное строение и функционирование белков, от которых зависит само существование жизни, возможно в пределах от 0 до 50 °С.

 

Между тем температурные границы, в пределах которых обнаруживается жизнь, гораздо шире. В ледяных пустынях Антарктики температура может опускаться до — 88 °С, а в безводных пустынях достигать 58 °С в тени. Некоторые виды бактерий и водорослей обитают в горячих источниках при температурах 80—88 °С.

 

Таким образом, диапазон колебаний температур на разных территориях Земли, где встречается жизнь, достигает 176 °С. Даже в одном местообитании разница между минимальной температурой зимой и максимальной летом может составлять более 80 °С. В некоторых местностях велики и суточные колебания температуры: так, в пустыне Сахара на протяжении суток температура может изменяться на 50 °С.

 

Но ни одно живое существо в мире не способно в активном состоянии переносить весь диапазон температур. Поэтому распространение любого вида животных и растений ограничено тем местообитанием, к температуре которого он приспособлен.

 

По отношению к температуре окружающей среды живые организмы делят на две группы: пойкилотерм- ные, температура тела которых зависит от окружающей среды и получающие теплоту главным образом от внешних источников, и гомойотермные, поддерживающие постоянную температуру тела независимо от ее колебаний во внешней среде.

 

Пути теплообмена между пойкилотермным организмом и окружающими его физическими телами. Из рисунка видно, что пойкилотермный организм не только получает теплоту из среды, но и отдает ее в пространство. За счет процессов обмена веществ животные с непостоянной температурой тела могут некоторое время регулировать температуру тела (пресмыкающиеся, пчелы и др.), но такие возможности крайне ограничены. Кроме того, у пойки лотермных организмов выработались определенные структурные, физиологические и поведенческие реакции, позволяющие избежать резких изменений температуры тела.

 

Приспособления к переохлаждению

 

Холод неблагоприятно сказывается на организмах, поскольку он тормозит основные физиологические процессы, снижает энергетическую эффективность дыхания, замедляет скорость развития. При замерзании воды в межклеточных пространствах и внутри клетки образующиеся кристаллы льда вызывают механическое повреждение клеток и их последующую гибель. У растений холодных местообитаний или переносящих холодные зимы развиваются защитные изменения от комплекса неблагоприятных условий (сильные ветры, иссушение и др.).

 

Среди морфологических адаптации у растений отметим лишь имеющие важное значение небольшие размеры (карликовость) и образование стелющихся форм (стлаников). Многолетние травы, кустарники полярных и высокогорных областей имеют высоту несколько сантиметров, очень мелкие листья (карликовая береза, карликовые ивы). Их высота соответствует глубине снежного покрова, так как все части, выступающие над снегом, гибнут от замерзания и высыхания.

 

Некоторые кустарники и деревья переходят к горизонтальному росту. К ним относятся можжевельник, кедровый стланик ( 68), рябина и др. Их ветви стелются по земле и не поднимаются выше обычной глубины снежного покрова.

 

 

Шире распространены физиологические приспособления к низкой температуре. Они направлены на снижение точки замерзания клеточного сока. Это достигается повышением концентрации растворимых углеводов и других веществ. У открыто зимующих насекомых накопление в тканях глицерина и некоторых спиртов позволяют им выносить температуры до — 30—35 °С. Многие пойкилотермные животные приспосабливаются к жизни в местообитаниях с постоянно низкой температурой. Обитающая на поверхности ледников ногохвостка по ночам примерзает ко льду и лишь днем становится активной. Оптимальная температура для нее 5—6 °С, а температура —15 °С губительна. Известно высокогорное насекомое, для которого оптимальная температура 1 °С.

 

Поведенческие адаптации пойкилотермных животных связаны с поиском укрытий, позволяющих переждать холодное время года. Насекомые и личинки насекомых проникают под кору деревьев, круглые и кольчатые черви, обитающие в почве, уходят на большую глубину, змеи образуют большие скопления в ямах и норах, под корягами, тритоны забираются в дупла деревьев и т. п. Крайней формой приспособления растений и живот ных к холоду служит анабиоз — такое состояние организма, при котором процессы жизнедеятельности настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни. Состояние анабиоза как приспособительная реакция наблюдается при наступлении и других неблагоприятных условий, например отсутствии влаги. Анабиоз позволяет организмам пережить холодное время года. Так, мхи и лишайники переносят промерзание в зимнее время года в состоянии анабиоза и после оттаивания оказываются вполне жизнеспособными. Некоторые лишайники способны выдерживать низкие температуры, при которых приостановлены все физиологические процессы, более двух лет.

 

Для многих видов животных характерна зимняя спячка (лягушки и др.,), во время которой уровень обменных процессов снижается, однако не достигает такой степени угнетения, как при анабиозе. Подготовка к состоянию зимнего покоя начинается заблаговременно. У растений сбрасывается листва, наблюдается одревеснение побегов и утолщение их пробкового слоя, зимующие почки водных растений опускаются на дно водоемов, птицы отлетают в более теплые края и т. п.

 

Приспособления к перегреву

 

Разнообразие тепловых условий в значительной мере определяет географическое распространение организмов с непостоянной температурой тела. Годовую динамику теплоты отражает ход среднемесячных температур, неодинаковых в разных широтах и при разных типах климата. По обеспеченности теплотой различают следующие термические (тепловые) пояса:

 

1.         Тропический пояс. Температура не снижается до О °С, средняя температура самого холодного месяца 15—20° С, колебания температуры на протяжении года не превышают 5 °С.

2.         Субтропические пояса. Температура самого холодного месяца выше 4 °С, самого теплого — выше 2С °С. Минимальные температуры опускаются ниже 0 СС не

каждый год. Возможны кратковременные морозы. Устойчивый снежный покров отсутствует.

3.         Умеренные пояса. Хорошо выражен летний теплый сезон и продолжительный зимний период покоя большинства организмов (кроме птиц и млекопитающих). Средняя длительность безморозного периода 70—80 дней. Зимой устойчивый снежный покров и устойчивые морозы. Заморозки весной и осенью.

4.         Холодные пояса. Заморозки возможны в течение всего летнего периода, который длится всего 1,5—2 мес.

 

Таким образом, на обширных территориях планеты живые организмы подвергаются воздействию высоких температур, интенсивному солнечному облучению, что нередко сочетается с недостатком влаги. Действие чрезмерно высоких температур влечет за собой ряд опасностей: обезвоживание и иссушение, ожоги, разрушение хлорофилла у растений, расстройства дыхания и других физиологических процессов, тепловую денатурацию белков и, наконец, гибель.

 

У растений и животных выработались разнообразные приспособления, позволяющие избежать вредных последствий перегрева. У растений — это густое опушение, придающее листьям светлую окраску и усиливающее отражение падающего света, вертикальное положение листьев, свертывание листовых пластинок (у злаков), уменьшение поверхности листа, развитие колючек (кактусы), способность к запасанию большого количества воды, развитая корневая система и др. Эти особенности строения одновременно обусловливают уменьшение потери воды растениям.

 

Основные способы регуляции температуры тела у пойкилотермных животных — поведенческие: изменение позы, поиск благоприятных микроклиматических условий, смена мест обитания, рытье нор и т. п. Например, пустынная саранча в прохладные утренние часы подставляет солнечным лучам широкую боковую поверхность тела, а в полдень — узкую спинную. В жаркие часы дня многие животные прячутся в тень или норы, некоторые виды пресмыкающихся взбираются на кусты, чтобы избежать соприкосновения с раскаленной поверх ностью почвы. В ряде случаев низшие растения и животные с непостоянной температурой тела переживают жаркое время года в состоянии анабиоза.

 

В целом регуляция температуры тела у пойкилотермных животных не достигает уровня, позволяющего сохранять активность круглый год при значительных колебаниях температуры внешней среды.

 

В связи с этим очень важен вопрос о влиянии температуры на развитие поикилотермных организмов — растений и животных. С повышением температуры окружающей среды они развиваются быстрее. Однако для каждого вида существует определенная температура, при которой восстанавливается нормальный обмен веществ после холодового угнетения. Этот температурный уровень называется температурным порогом развития. Организм будет расти только при температуре среды, превышающей пороговую. Например, развитие икры форели начинается при О °С. При температуре воды 2 °С мальки выходят из яиц через 205 дней, при 5 °С — через 82 дня, а при 10 °С — через 41 день. Во всех случаях произведение положительных температур среды на число дней развития остается постоянным: 410. Таким образом, для осуществления программы развития пойкилотермным организмам необходимо определенное количество теплоты, которое называется суммой эффективных температур (под эффективной температурой понимают разницу между температурой среды и температурным порогом развития). Следовательно, каждый вид имеет свой температурный порог развития и свою сумму эффективных температур, которая требуется для завершения развития. Это относится и к растениям. Сроки цветения растений зависят от того, за какой период они набирают сумму эффективных температур.

 

Этот показатель служит фактором, ограничивающим геогоафическое распространение вида. Так, северная граница лесов пролегает там, где средняя июльская температура составляет 10—12 °С. Севернее для развития деревьев уже не хватает теплоты — зона лесов сменяется безлесной тундрой.

 

Гораздо меньше зависят от температурных условий среды животные с постоянной температурой тела, или гомойотермные животные,— птицы и млекопитающие. Они обладают разнообразными механизмами терморе гуляции, позволяющими поддерживать определенную температуру тела и активность при экстремально низких или высоких температурах окружающего воздуха. Например, песец, заяц-беляк, тундровая куропатка проявляют нормальную жизнедеятельность в самые сильные морозы, когда разница между температурой тела и температурой воздуха составляет десятки градусов (до 70 °С). В основе высокой приспособленности птиц и млекопитающих лежат ароморфные изменения строения их тела (полное разделение артериального и венозного кровотока благодаря наличию четырехкамерного сердца и утрате одной дуги аорты; развитие перьевого или волосяного покрова, способствующего сохранению тепла, развитие головного мозга, обеспечивающего возможность совершенной регуляции обмена веществ, кровообращения и т. д.). Существует много более мелких частных приспособлений, обеспечивающих постоянство температуры тела у гомойотермных животных. Например, у ластоногих и китов сохранению тепла способствует толстый слой жира в подкожной клетчатке. Теплоизолирующие свойства жировой прослойки настолько велики, что под тюленями, лежащими на снегу, снег не тает, хотя температуре тела животных поддерживается на уровне 38 °С.

 

Поддержанию оптимальной температуры способствуют поведенческие реакции животных. Так, обитающие в Антарктике пингвины в сильные морозы и бураны сбиваются в плотную кучу. Особи, оказавшиеся с краю, через некоторое время пробиваются внутрь и таким об разом птицы постоянно перемещаются. Внутри такого скопления температура достигает 37 °С даже в самые сильные морозы.

 

Высокий уровень организации и совершенство механизмов регуляции физиологических процессов у гомойотермных животных позволяют им сохранять активность при резких перепадах температур и освоить практически все местообитания.

 

 

К содержанию книги: Мамонтов. Биология, пособие

 

Смотрите также:

 

Структура общей экологии. Основополагающим и высшим рангом...  Организм и внешняя среда. Адаптация. Физиология целостного...

 

Средообразующие функции живого вещества. Энергетическая...