Гомойотермні організми. Теплокровні тварини. Пойкілотермні організми

Різноманіття життя на нашій планеті вражає своїми масштабами. Останні дослідження канадських вчених дають цифру в 8,7 мільйона видів тварин, рослин, грибів і мікроорганізмів, що населяють нашу планету. Причому описані з них всього близько 20%, а це 1,5 мільйона відомих нам видів. Живі організми заселили всі екологічні ніші на планеті. У межах біосфери немає місця, де було б відсутнє життя. У жерлах вулканів і на піку Евересту – скрізь ми знаходимо життя в різних її проявах. І, безсумнівно, такому різноманіттю і розселенню природа зобов’язана появі в процесі еволюції явища теплокровності (гомойотермних організмів).

Межа життя – температура

Основою життя є обмін речовин організму, який залежить від швидкості і характеру протікання хімічних процесів. А ці хімічні реакції можливі лише в певному діапазоні температур, зі своїми показниками і тривалістю впливу. Для більшої кількості організмів граничними показниками температурного режиму навколишнього середовища вважають від 0 до + 50 градусів за Цельсієм.

Але це розсудливий висновок. Точніше буде сказати, що температурними кордонами життя будуть ті, при яких не відбувається денатурація білків, а також незворотні зміни колоїдних характеристик цитоплазми клітин, порушення активності життєво необхідних ферментів. І безліч організмів у процесі еволюції обзавелося високоспеціалізованими ферментативними системами, які дозволили їм жити в умовах, що далеко виходять за зазначені межі.

Екологічна класифікація

Межі оптимальних життєвих температур визначають поділ життєвих форм на планеті на дві групи – кріофіли і термофіли. Перша група воліє для життя холод і спеціалізована для життя саме в таких умовах. Понад 80% біосфери планети – це холодні області із середньою температурою + 5 ° C. Це глибини океанів, пустелі Арктики і Антарктики, зони тундри і високогір’я. Підвищену холодостійкість забезпечують біохімічні адаптації.

Ферментативна система кріофілів ефективно знижує енергію активації біологічних молекул і підтримує метаболізм у клітці при температурі близькій до 0 ° C. При цьому адаптації йдуть у двох напрямках – у набутті резистентності (протистояння) або толерантності (стійкості) до холоду. Екологічна група термофілів – це організми, оптимальними для життя яких є області високих показників температур. Їхня життєдіяльність також забезпечується спеціалізацією біохімічних адаптацій. Варто згадати, що з ускладненням організації організму здатність його до термофілії падає.

Температура тіла

Баланс тепла в живій системі – це сукупність його приходу і витрати. Від температури навколишнього середовища (екзогенне тепло) залежить температура тіла організмів. Крім того, обов’язковим атрибутом життя є ендогенне тепло – продукт внутрішнього обміну речовин (окислювальні процеси і розщеплення аденозинтрифосфорної кислоти). Життєдіяльність більшості видів на нашій планеті залежить від екзогенного тепла, а температура їх тіла – від ходу температур навколишнього середовища. Це пойкілотермні організми (poikilos – різний), у яких температура тіла мінлива.

Пойкілотермни – всі мікроорганізми, гриби, рослини, безхребетні і більшість хордових тварин. І тільки дві групи хребетних – птахи і ссавці – це гомойотермні організми (homoios – схожий). Вони підтримують постійну температуру свого тіла, незалежно від температури навколишнього середовища. Їх називають також теплокровними тваринами. Їх головна відмінність – наявність потужного потоку внутрішнього тепла і системи терморегуляторних механізмів. Як наслідок, у гомойотермних організмів всі фізіологічні процеси здійснюються при оптимальних і постійних температурах.

Правдиві і фальшиві

Деякі пойкілотермні організми, наприклад риби та голкошкірі, також мають постійну температуру тіла. Вони живуть в умовах сталості зовнішніх температур (глибин океану або печери), де температура навколишнього середовища не змінюється. Їх називають хибно гомойотермними організмами. Багато тварин, яким властиві явища сплячки або тимчасового заціпеніння, мають мінливу температуру тіла. Ці істинно гомойотермні організми (приклади: бабаки, кажани, їжаки, стрижі та інші), називаються гетеротермними.

Дорогий ароморфоз

Поява гомойотермії у живих істот – дуже енерговитратне еволюційне придбання. Вчені і сьогодні сперечаються про виникнення цієї прогресивної зміни будівлі, яка призвела до підвищення рівня організації. Було запропоновано безліч теорій виникнення теплокровних організмів. Деякі дослідники припускають, що цю особливість могли мати навіть динозаври. Але при всіх розбіжностях вчених точно одне: поява гомойотермних організмів – це біоенергетичне явище. І ускладнення життєвих форм пов’язане з функціональним вдосконаленням механізмів тепловіддачі.

Компенсації температур

Можливість деяких пойкілотермних організмів підтримувати постійний рівень обмінних процесів в широких межах змін температури тіла забезпечується за рахунок біохімічних пристосувань і називається температурною компенсацією. Вона ґрунтується на здатності деяких ферментів змінювати конфігурацію при зниженні температури і підвищувати спорідненість з субстратом, збільшуючи швидкість реакцій. Наприклад, у двосвідчених молюсків мідій Баренцевого моря споживання кисню не залежить від температур навколишнього середовища, яка коливається в діапазоні 25 ° C (від + 5 до + 30 ° C).

Проміжні форми

Біологи-еволюціоністи знайшли-таки представників перехідних форм від пойкілотермності до теплокровності ссавців. Канадські біологи з університету Брока виявили сезонну теплокровність у аргентинського чорно-білого тегу (Alvator merianae). Ця майже метрова ящірка живе в Південній Америці. Як і більшість рептилій, тегу вдень гріється на сонці, а вночі ховається в норах і печерах, де і остигає. Але в період розмноження з вересня по жовтень температура тегу, частота дихання і ритм скорочень серця в ранкові години різко зростають. Температура тіла ящірки може перевищувати температуру в печері на десять градусів. Це доводить перехідність форм від хладнокровності до гомойотермних тварин.

Механізми терморегуляції

Гомойотермні організми завжди працюють на забезпечення роботи головних систем – кровоносного, дихального, виділивого – шляхом вироблення мінімуму теплопродукції. Цей мінімум, що виробляється в стані спокою, називається базальним метаболізмом. Перехід в активний стан у теплокровних тварин збільшує теплопродуктивність, і для запобігання денатурації білків їм необхідні механізми підвищення тепловіддачі.

Процес досягнення балансу між цими процесами забезпечується хімічною та фізичною терморегуляцією. Ці механізми забезпечують захист гомойотермних організмів від низьких температур і перегріву. Механізми збереження постійної температури тіла (хімічна і фізична терморегуляції) мають різні джерела і дуже різноманітні.

Хімічна терморегуляція

У відповідь на зниження температури середовища у теплокровних відбувається рефлекторне збільшення виробництва ендогенного тепла. Це досягає посилення окислювальних процесів, особливо в м’язових тканинах. Неузгоджене скорочення м’язів (тремтіння) і терморегуляційний тонус – перші етапи підвищення теплопродукції. При цьому обмін ліпідів зростає, а жирова тканина стає запорукою кращої терморегуляції. У ссавців холодного клімату навіть є бурий жир, все тепло від окислення якого йде на обігрів організму. Ця витрата енергії вимагає від тварини або споживання великої кількості їжі, або ґрунтовних жирових запасів. При нестачі цих ресурсів хімічна терморегуляція має свої межі.

Механізми фізичної терморегуляції

Цей тип терморегуляції не потребує додаткових витрат на вироблення тепла, а здійснюється за рахунок збереження ендогенного тепла. Здійснюється шляхом випаровування (потовиділення), випромінювання (радіації), теплопроведення (кондукції) і конвекції шкірних покривів. Способи фізичної терморегуляції розвивалися в процесі еволюції і стають все більш досконалими при вивченні філогенетичних рядів від комоядних і рукокрилих до ссавців.

Прикладами такої регуляції служить звуження або розширення кровоносних капілярів шкірних покривів, що змінює теплопровідність, теплоізолюючі властивості хутра і пір’я, протиоточний теплообмін крові між поверхневими судинами і судинами внутрішніх органів. Тепловіддача регулюється нахилом волосся хутра і пір’я, між якими зберігається повітряний прошарок.

У морських ссавців підшкірний жир розподіляється по всьому тілу, охороняючи ендотепло. Наприклад, у тюленів такий жировий мішок досягає до 50% всієї ваги. Саме тому сніг не тане під тюленями, що годинами лежать на льодовому настої. Для тварин, які живуть у спекотному кліматі, рівномірний розподіл жирового прошарку по всій поверхні тіла був би згубним. Тому у них жир накопичується лише в певних ділянках тіла (горб біля верблюда, курдюк у овець), що не перешкоджає випаровуванню з усієї поверхні тіла. Крім того, у тварин північного холодного клімату існує особлива жирова тканина (бурий жир), який повністю використовується для обігріву тіла.

Ближче до півдня – більше вуха і довші ноги

Різні частини тіла далеко не рівноцінні з позиції теплообміну. Для підтримки теплообміну важливо співвідношення поверхні тіла і його обсягу, адже обсяг внутрішнього тепла залежить від маси організму, а теплообмін йде через покриви. Виступаючі частини тіла мають велику поверхню, що добре для спекотного клімату, де теплокровним тваринам необхідна велика тепловіддача. Наприклад, великі вуха з безліччю кровоносних судин, довгі кінцівки і хвіст характерні для жителів спекотного клімату (слон, лисичка-фенек, африканський довгоухий тушканчик). В умовах холоду адаптація йде шляхом економії площі до обсягу (вуха і хвіст тюленів).

Існує ще один закон для теплокровних тварин – чим північніше живуть представники однієї філогенетичної групи, тим вони більші. І це теж пов’язано зі співвідношенням обсягу поверхні випаровування, а відповідно, тепловтрат, і маси тварини.

Етологія і теплообмін

Поведінкові особливості також відіграють важливу роль у процесах теплообміну, як для пойкілотермних, так і гомойотермних тварин. Сюди відноситься і зміни пози, і будівництво укриттів, і різні міграції. Чим більше глибина нори, тим більш згладжений хід температур. Для середніх широт на глибині вже в 1,5 метра сезонні коливання температур непомітні.

Для терморегуляції використовується і групова поведінка. Так, пінгвіни збиваються в купу, щільно притискаючись один до одного. Всередині купи температура близька до температури тіла пінгвінів (+ 37 ° C) навіть у найсильніші морози. Верблюди роблять те ж саме – в центрі групи температура близько + 39 ° C, а шерсть крайніх тварин може нагріватися до + 70 ° C.

Сплячка – особлива стратегія

Торпидний стан (заціпеніння) або сплячка – особливі стратегії теплокровних тварин, що дозволяють використовувати зміни температури тіла в адаптивних цілях. У такому стані тварини припиняють підтримувати температуру тіла і знижують її майже до нуля. Сплячка характеризується зниженням рівня обміну речовин і витрати накопичених ресурсів. Це добре регульований фізіологічний стан, коли терморегуляторні механізми перемикаються на нижчий рівень – частота серцебиття знижується (наприклад, у соні-півчка з 450 до 35 ударів на хвилину), споживання кисню зменшується в 20-100 разів.

Пробудження вимагає витрат енергії і відбувається шляхом самосогрівання, що не варто плутати з заціпенінням хладнокровних тварин, де воно викликається зниженням температури навколишнього середовища і є нерегульованим самим організмом станом (пробудження відбувається під дією зовнішніх факторів).

Оточеність – також регульований стан, але при цьому температура тіла падає всього на кілька градусів і часто супроводжує добові ритми. Наприклад, колібрі оточують вночі, коли температура їх тіла падає з 40 ° C до 18 ° C. Між заціпенінням і сплячкою існує безліч переходів. Так, хоч ми і називаємо сон ведмедів взимку сплячкою, насправді метаболізм у них знижується незначно, а температура їх тіла падає всього на 3 – 6 ° C. Саме в такому стані ведмедиця народжує ведмежат.

Чому у водному середовищі мало гомойотермних організмів

Серед гідробіонтів (організмів, що живуть у водному середовищі) мало представників теплокровних тварин. Кити, дельфіни, морські котики – це вторинні тварини, які повернулися у водне середовище з суші. Теплокровність пов’язана в першу чергу зі збільшенням обмінних процесів, основа яких – реакції окислення. І головну роль тут відіграє кисень. А, як відомо, у водному середовищі вміст кисню не вище 1% від обсягу. Дифузія кисню у воді в тисячі разів менша, ніж у повітрі, що робить його ще менш доступним. Крім того, з підвищенням температури і збагаченням води органічними сполуками вміст кисню знижується. Все це робить енергетично невигідним існування великої кількості теплокровних організмів у водному середовищі.

Плюси і мінуси

Головна перевага теплокровних перед холоднокровними – це готовність до дій незалежно від температури навколишнього середовища. Це можливість витримати нічні температури, близькі до заморозків, і освоєння північних територій суші.

Головний недолік теплокровності – великі енерговитрати на підтримку сталості температури тіла. І основне джерело для цього – їжа. Теплокровному лева їжі необхідно вдесятеро більше, ніж хладнокровному крокодилу тієї ж ваги.

Як тварини адаптуються до змін клімату

Але саме це, за словами вчених, наразі відбувається з деякими тваринами у відповідь на зміну клімату.

Теплокровні види еволюціонують, щоб мати більші дзьоби, ноги та вуха для регулювання температури тіла мірою того, як наша планета нагрівається, свідчить нове дослідження.

Водночас його автори попереджають, що фізіологічні зміни не означають, що тваринам вдається упоратися зі зміною клімату.

“Часто, коли обговорюють зміну клімату, люди запитують, чи можуть люди це подолати, або ж яка технологія може це вирішити”, – говорить авторка дослідження Сара Райдінг з Університету Дікіна.

“Настав час визнати, що тварини також мають адаптуватися до цих змін”, – додає вона.

Якщо тварини не можуть контролювати температуру свого тіла, вони можуть перегрітися і загинути.

Деякі тварини в теплішому кліматі історично еволюціонували, щоб мати більший дзьоб або вуха, щоб легше позбуватися тепла.

Більше крило, вухо чи дзьоб у співвідношенні до розміру тіла дає меншим тваринам більшу площу поверхні, з якої вони можуть втрачати надлишок тепла.

Слони використовують великі вуха, щоб охолоджуватися

Горобці у теплішому кліматі мають більші дзьоби

У кількох видів австралійських папуг з 1871 року зафіксували збільшення розміру дзьоба на 4-10%, що корелює з ростом літніх температур протягом багатьох років, йдеться у дослідженні.

Вчені стверджують, що клімат важко назвати єдиною причиною такої видозміни тварин, але інші приклади зміни видів також демонструють вплив тепла.

Лісові миші еволюціонують, щоб мати довші хвости, землерийки – довші хвости і ноги, а кажани в теплому кліматі мають більші крила.

“Дамбо в реальному житті”

Хоча такі адаптації видів наразі невеликі, Сара Райдінг каже, що коли планета сильніше нагріється, вони можуть бути більш вираженими.

“Частини тіла, що виступають, такі як вуха, збільшаться, тому ми можемо отримати Дамбо в реальному житті вже в недалекому майбутньому”, – каже вчена.

Дослідження показує, що видозміни, ймовірно, триватимуть, коли клімат стане теплішим, оскільки вищі температури впливатимуть на потребу тварин у регулюванні температури тіла.

Цього року деякі країни зафіксували найвищі температури за останні десятиліття – липень був найспекотнішим у світі.

У землерийок ростуть ноги та хвости.

“Видозміни не означають, що тварини справляються зі зміною клімату і що все добре”, – каже науковиця.

“Це просто означає, що вони еволюціонують, щоб вижити, але ми не впевнені у тому, якими будуть інші екологічні наслідки цієї змін, або в тому, що всі види здатні змінюватися і вижити”, – додає вона.

“Зміна клімату, яку ми створили, чинить на них великий тиск, і хоча деякі види адаптуються, інші – ні”.

Хочете отримувати головні новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber!