Gezegenimizdeki yaşam çeşitliliği ölçeğinde dikkat çekicidir. Kanadalı bilim adamları tarafından yapılan son araştırmalar, gezegenimizde yaşayan 8.7 milyon tür hayvan, bitki, mantar ve mikroorganizma rakamı veriyor. Ayrıca, bunların sadece yaklaşık %20'si tanımlanmıştır ve bu bizim bildiğimiz 1,5 milyon türdür. Canlı organizmalar gezegendeki tüm ekolojik nişleri doldurdu. Biyosferde yaşamın olmayacağı hiçbir yer yoktur. Volkanların havalandırmalarında ve Everest'in zirvesinde - her yerde çeşitli tezahürlerinde hayat buluyoruz. Ve kuşkusuz, doğa böyle bir çeşitlilik ve dağılımı, sıcak kanlılık olgusunun (homeotermik organizmalar) evrim sürecindeki görünümüne borçludur.
Yaşamın sınırı sıcaklıktır
Yaşamın temeli, kimyasal süreçlerin hızına ve doğasına bağlı olan vücudun metabolizmasıdır. ANCAKbu kimyasal reaksiyonlar, yalnızca belirli bir sıcaklık aralığında, kendi göstergeleri ve maruz kalma süreleri ile mümkündür. Daha fazla sayıda organizma için, ortamın sıcaklık rejiminin sınır göstergelerinin 0 ila +50 santigrat derece arasında olduğu kabul edilir.
Ama bu spekülatif bir sonuç. Yaşamın sıcaklık sınırlarının, proteinlerin denatürasyonunun olmadığı ve hücrelerin sitoplazmasının kolloidal özelliklerinde geri dönüşü olmayan değişikliklerin, hayati enzimlerin aktivitesinin ihlali olacağını söylemek daha doğru olacaktır. Ve birçok organizma, bu sınırların çok ötesinde koşullarda yaşamalarına izin veren son derece uzmanlaşmış enzimatik sistemler geliştirmiştir.
Çevresel sınıflandırma
Optimal yaşam sıcaklıklarının sınırları, gezegendeki yaşam formlarının iki gruba ayrılmasını belirler - kriyofiller ve termofiller. Birinci grup, yaşam için soğuğu tercih eder ve bu tür koşullarda yaşam için uzmanlaşmıştır. Gezegenin biyosferinin %80'inden fazlası, ortalama sıcaklığı +5 °C olan soğuk bölgelerdir. Bunlar okyanusların derinlikleri, Kuzey Kutbu ve Antarktika'nın çölleri, tundra ve yaylalardır. Biyokimyasal adaptasyonlar sayesinde artan soğuğa dayanıklılık sağlanır.
Kriyofillerin enzimatik sistemi, biyolojik moleküllerin aktivasyon enerjisini etkili bir şekilde düşürür ve hücredeki metabolizmayı 0 °C'ye yakın bir sıcaklıkta tutar. Aynı zamanda, adaptasyonlar iki yöne gider - soğuğa karşı direnç (muhalefet) veya tolerans (direnç) edinme. Ekolojik termofiller grubu, en uygun organizmalardır.yaşamları yüksek sıcaklık alanları olan. Yaşam aktiviteleri, biyokimyasal adaptasyonların uzmanlaşmasıyla da sağlanır. Vücudun organizasyonunun karmaşıklığı ile termofili kabiliyetinin azaldığını belirtmekte fayda var.
Vücut ısısı
Canlı bir sistemdeki ısı dengesi, içeri ve dışarı akışının toplamıdır. Organizmaların vücut sıcaklığı, ortam sıcaklığına (dışsal ısı) bağlıdır. Ek olarak, yaşamın zorunlu bir özelliği endojen ısıdır - iç metabolizmanın bir ürünü (oksidatif süreçler ve adenosin trifosforik asidin parçalanması). Gezegenimizdeki çoğu türün yaşamsal faaliyeti dışsal ısıya, vücut sıcaklıkları ise ortam sıcaklıklarının seyrine bağlıdır. Bunlar, vücut sıcaklığının değişken olduğu poikilotermik organizmalardır (poikilos - çeşitli).
Poikilotermlerin tümü mikroorganizmalar, mantarlar, bitkiler, omurgasızlar ve çoğu kordalıdır. Ve sadece iki omurgalı grubu - kuşlar ve memeliler - homoiotermik organizmalardır (homoios - benzer). Ortam sıcaklığından bağımsız olarak sabit bir vücut sıcaklığını korurlar. Sıcak kanlı hayvanlar olarak da adlandırılırlar. Ana farkları, güçlü bir iç ısı akışının ve bir termoregülatör mekanizma sisteminin varlığıdır. Sonuç olarak homoiotermik organizmalarda tüm fizyolojik işlemler optimal ve sabit sıcaklıklarda gerçekleştirilir.
Doğru ve Yanlış
Bazı poikilotermlerbalık ve derisidikenliler gibi organizmalar da sabit bir vücut sıcaklığına sahiptir. Ortam sıcaklığının değişmediği sabit dış sıcaklık koşullarında (okyanusun veya mağaraların derinliklerinde) yaşarlar. Bunlara sahte homoiotermik organizmalar denir. Hazırda bekletme veya geçici uyuşukluk yaşayan birçok hayvan, dalgalanan vücut sıcaklıklarına sahiptir. Bu gerçekten homoiotermik organizmalara (örnekler: dağ sıçanları, yarasalar, kirpiler, kaymalar ve diğerleri) heterotermal denir.
Sevgili aromorfoz
Homoioterminin canlılarda ortaya çıkması çok enerji tüketen bir evrimsel kazanımdır. Akademisyenler, organizasyon düzeyinde bir artışa yol açan yapıdaki bu ilerici değişimin kökeni hakkında hala tartışıyorlar. Sıcak kanlı organizmaların kökeni için birçok teori öne sürülmüştür. Bazı araştırmacılar dinozorların bile bu özelliğe sahip olabileceğini kabul ediyor. Ancak bilim adamlarının tüm anlaşmazlıklarına rağmen, kesin olan bir şey var: homoiotermik organizmaların ortaya çıkışı biyoenerjetik bir fenomendir. Ve yaşam formlarının karmaşıklığı, ısı transfer mekanizmalarının işlevsel olarak iyileştirilmesi ile ilişkilidir.
Sıcaklık telafisi
Bazı poikilotermik organizmaların vücut sıcaklığındaki çok çeşitli değişikliklerde sabit bir metabolik süreç seviyesini koruma yeteneği, biyokimyasal adaptasyonlarla sağlanır ve buna sıcaklık kompanzasyonu denir. Bazı enzimlerin, azalan sıcaklıkla konfigürasyonlarını değiştirme ve substrat ile afinitelerini artırma, reaksiyon hızını artırma yeteneğine dayanır. Örneğin, çift kabuklu midyelerdeBarents Denizi'nde oksijen tüketimi, 25 °C (+5 ila +30 °C) arasında değişen ortam sıcaklıklarına bağlı değildir.
Ara formlar
Evrimsel biyologlar, poikilotermik memelilerden sıcak kanlı memelilere geçiş formlarının aynı temsilcilerini buldular. Brock Üniversitesi'nden Kanadalı biyologlar, Arjantin siyah beyaz tegusunda (Alvator merianae) mevsimsel sıcak kanlılık keşfettiler. Bu neredeyse metre uzunluğundaki kertenkele Güney Amerika'da yaşıyor. Çoğu sürüngen gibi, tegu da gün boyunca güneşte güneşlenir ve geceleri soğuduğu yuvalarda ve mağaralarda saklanır. Ancak Eylül'den Ekim'e kadar olan üreme mevsimi boyunca, tegu'nun sıcaklığı, solunum hızı ve sabahları kalp kasılmalarının ritmi keskin bir şekilde artar. Bir kertenkelenin vücut sıcaklığı, bir mağaradaki sıcaklığı on derece aşabilir. Bu, formların soğukkanlı hayvanlardan homoiotermik hayvanlara geçişini kanıtlıyor.
Termoregülasyon mekanizmaları
Homoitermik organizmalar her zaman minimum ısı üretimi üreterek ana sistemlerin - dolaşım, solunum, boş altım - çalışmasını sağlamak için çalışırlar. Dinlenme sırasında üretilen bu minimuma bazal metabolizma denir. Sıcak kanlı hayvanlarda aktif duruma geçiş, ısı üretimini arttırır ve protein denatürasyonunu önlemek için ısı transferini artıracak mekanizmalara ihtiyaç duyarlar.
Bu süreçler arasında bir denge sağlama süreci, kimyasal ve fiziksel termoregülasyon ile sağlanır. Bu mekanizmalar, homoiotermik organizmaların düşük sıcaklıklardan korunmasını sağlar veaşırı ısınma Sabit bir vücut ısısını (kimyasal ve fiziksel termoregülasyon) koruma mekanizmaları farklı kaynaklara sahiptir ve çok çeşitlidir.
Kimyasal termoregülasyon
Çevre sıcaklığındaki düşüşe tepki olarak, sıcak kanlı hayvanlar refleks olarak endojen ısı üretimini arttırır. Bu, özellikle kas dokularında oksidatif süreçleri artırarak elde edilir. Koordine olmayan kas kasılması (titreme) ve termoregülatuar ton, artan ısı üretiminin ilk aşamalarıdır. Aynı zamanda, lipid metabolizması artar ve yağ dokusu daha iyi termoregülasyonun anahtarı haline gelir. Soğuk iklimdeki memeliler, oksidasyondan kaynaklanan tüm ısıyı vücudu ısıtmaya giden kahverengi yağa bile sahiptir. Bu enerji harcaması, hayvanın ya çok miktarda yiyecek tüketmesini ya da önemli miktarda yağ rezervine sahip olmasını gerektirir. Bu kaynakların eksikliği ile kimyasal termoregülasyonun sınırları vardır.
Fiziksel termoregülasyon mekanizmaları
Bu tür termoregülasyon, ısı üretimi için ek maliyet gerektirmez, ancak içsel ısı korunarak gerçekleştirilir. Buharlaşma (terleme), radyasyon (radyasyon), ısı iletimi (iletim) ve cildin konveksiyonu ile gerçekleştirilir. Fiziksel termoregülasyon yöntemleri evrim sürecinde gelişmiştir ve böcek öldürücüler ve yarasalardan memelilere kadar filogenetik seriler incelenirken giderek daha mükemmel hale gelmektedir.
Bu tür düzenlemelere bir örnek, cildin kan kılcal damarlarının daralması veya genişlemesidir.termal iletkenlik, kürk ve tüylerin ısı yalıtım özellikleri, yüzeysel damarlar ve iç organların damarları arasında kanın ters akım ısı değişimi. Isı dağılımı, aralarında bir hava boşluğunun muhafaza edildiği kürk kıllarının ve tüylerin eğimi tarafından düzenlenir.
Deniz memelilerinde, deri altı yağ vücutta dağılır ve endo ısıyı korur. Örneğin contalarda böyle bir yağ torbası toplam ağırlığın %50'sine kadar ulaşır. Bu yüzden buzun üzerinde saatlerce yatan fokların altında kar erimez. Sıcak iklimlerde yaşayan hayvanlar için, vücut yağının tüm vücut yüzeyine eşit dağılımı ölümcül olacaktır. Bu nedenle, yağları vücudun sadece belirli bölgelerinde (devenin hörgücü, koyunun yağlı kuyruğu) birikir ve bu da vücudun tüm yüzeyinden buharlaşmayı engellemez. Ayrıca kuzey soğuk iklimin hayvanları, tamamen vücut ısıtması için kullanılan özel bir yağ dokusuna (kahverengi yağ) sahiptir.
Daha güney - daha büyük kulaklar ve daha uzun bacaklar
Vücudun farklı bölgeleri ısı transferi açısından eşdeğer olmaktan uzaktır. Isı transferini sürdürmek için, vücut yüzeyinin ve hacminin oranı önemlidir, çünkü iç ısının hacmi vücudun kütlesine bağlıdır ve ısı transferi integumentler yoluyla gerçekleşir. Vücudun çıkıntılı kısımları geniş bir yüzeye sahiptir, bu da sıcakkanlı hayvanların çok fazla ısı transferine ihtiyaç duyduğu sıcak iklimler için iyidir. Örneğin, birçok kan damarı, uzun uzuvları ve kuyruğu olan büyük kulaklar, sıcak iklim sakinleri için tipiktir (fil, rezene tilkisi, Afrikauzun kulaklı jerboa). Soğuk koşullarda adaptasyon, alandan hacme (mühürlerin kulakları ve kuyruğu) tasarruf etme yolunu takip eder.
Sıcakkanlı hayvanlar için başka bir yasa daha vardır - bir filogenetik grubun kuzeydeki temsilcileri ne kadar yaşarsa, o kadar büyük olurlar. Ve bu aynı zamanda buharlaşma yüzeyinin hacminin oranı ve buna bağlı olarak ısı kaybı ve hayvanın kütlesi ile de bağlantılıdır.
Etoloji ve ısı transferi
Davranışsal özellikler, hem poikilotermik hem de homeotermik hayvanlar için ısı transferi süreçlerinde önemli bir rol oynar. Buna duruş değişiklikleri, barınakların inşası ve çeşitli göçler dahildir. Deliğin derinliği ne kadar büyük olursa, sıcaklıkların seyri o kadar düzgün olur. Orta enlemler için 1,5 metre derinlikte mevsimsel sıcaklık dalgalanmaları algılanamaz.
Grup davranışı termoregülasyon için de kullanılır. Böylece penguenler birbirine sıkıca yapışarak bir araya gelirler. Yığının içindeki sıcaklık, en şiddetli donlarda bile penguenlerin vücut sıcaklığına (+37 °C) yakındır. Develer de aynı şeyi yapar - grubun merkezinde sıcaklık yaklaşık +39 °C'dir ve en dıştaki hayvanların kürkleri +70 °C'ye kadar ısıtılabilir.
Hazırda bekletme özel bir stratejidir
Torpid durum (stupor) veya kış uykusu, vücut sıcaklığındaki değişiklikleri adaptif amaçlarla kullanmaya izin veren sıcak kanlı hayvanların özel stratejileridir. Bu durumda hayvanlar vücut ısısını korumayı bırakır ve neredeyse sıfıra düşürür. Hazırda bekletme, metabolik hızda bir azalma ile karakterizedir vebirikmiş kaynakların tüketimi. Bu iyi düzenlenmiş bir fizyolojik durumdur, termoregülatuar mekanizmalar daha düşük bir seviyeye geçtiğinde - kalp atış hızı azalır (örneğin, bir uyku faresinde dakikada 450'den 35 atışa), oksijen tüketimi 20-100 kat azalır.
Uyanış enerji gerektirir ve soğukkanlı hayvanların stuporu ile karıştırılmaması gereken, ortam sıcaklığındaki bir düşüşün neden olduğu ve vücudun kendisi tarafından düzenlenemeyen bir durum olan (uyanma) kendi kendine ısınma ile gerçekleşir. dış faktörlerin etkisi altında oluşur).
Stupor da düzenlenmiş bir durumdur, ancak vücut ısısı yalnızca birkaç derece düşer ve genellikle sirkadiyen ritimlere eşlik eder. Örneğin, sinek kuşlarının vücut sıcaklıkları 40°C'den 18°C'ye düştüğünde geceleri uyuşurlar. Torpor ve hibernation arasında birçok geçiş vardır. Yani ayıların kış uykusunda uykusuna uyku desek de aslında metabolizmaları biraz yavaşlar ve vücut ısıları sadece 3-6 °C düşer. Dişi ayı bu durumda yavrular doğurur.
Su ortamında neden birkaç homoiotermik organizma var
Hidrobiyontlar (su ortamında yaşayan organizmalar) arasında sıcak kanlı hayvanların çok az temsilcisi vardır. Balinalar, yunuslar, kürklü foklar, su ortamına karadan dönen ikincil su hayvanlarıdır. Sıcak kanlılık, temel olarak oksidasyon reaksiyonları olan metabolik süreçlerde bir artış ile ilişkilidir. Ve oksijen burada önemli bir rol oynar. Ve bildiğiniz gibi, içindesu ortamında, oksijen içeriği hacimce %1'den fazla değildir. Oksijenin sudaki difüzyonu havadakinden binlerce kat daha azdır, bu da onu daha az kullanılabilir hale getirir. Ek olarak, sıcaklığın artması ve suyun organik bileşiklerle zenginleşmesi ile oksijen içeriği azalır. Bütün bunlar, su ortamında çok sayıda sıcak kanlı organizmanın varlığını enerjik olarak elverişsiz hale getirir.
Artıları ve eksileri
Sıcakkanlı hayvanların soğukkanlı hayvanlara göre en büyük avantajı, ortam sıcaklığından bağımsız olarak hareket etmeye istekli olmalarıdır. Bu, donmaya yakın gece sıcaklıklarına ve arazinin kuzey bölgelerinin gelişimine dayanmak için bir fırsattır.
Sıcak kanlılığın ana dezavantajı, sabit bir vücut ısısını korumak için yüksek enerji tüketimidir. Ve bunun ana kaynağı besindir. Sıcakkanlı bir aslanın, aynı ağırlıktaki soğukkanlı bir timsahtan on kat daha fazla yiyeceğe ihtiyacı vardır.
