Температурные пределы жизни. Необходимость тепла для существования организмов обусловлена прежде всего тем, что все процессы жизнедеятельности возможны лишь на определенном тепловом фоне, определяемом количеством тепла и продолжительностью его действия. От тем пературы окружающей среды зависит температура организмов и, как следствие, скорость и характер протекания всех химических реакций, составляющих обмен веществ.
Границами существования жизни являются температурные условия, при которых, не происходит денатурации, белков, необратимого изменения коллоидных свойств цитоплазмы, нарушения активности ферментов, дыхания. Для большинства организмов этот диапазон температур составляет от 0 до +50°С. Однако ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температурах, выходящих за указанные пределы.
Виды, оптимальные условия жизнедеятельности которых приурочены к области высоких значений температур, относят к экологической группе термофилов. Термофильность характерна для многих бактерий, вызывающих самонагревание влажного зерна, сена, цианобактерии осцилатории, населяющей термальные источники Камчатки с температурой воды 85—93°С. Успешно переносят высокие температуры (65—80°С) несколько видов зеленых водорослей, накипные лишайники, семена пустынных растений, находящиеся в верхнем раскаленном слое почвы. Температурный предел представителей животного мира обычно не превышает +55—58°С (раковинные амебы, нематоды, клещи, некоторые ракообразные, личинки многих двукрылых).
У многих видов растений и животных клетки сохраняют активность при температуре от 0 до -8°С. Такие организмы относятся к экологической группе криофилов (грен. Kryos —холод, лед). Кри-офилия характерна для многих бактерий, грибов, лишайников, членистоногих и других существ, обитающих в тундрах, арктических и антарктических пустынях, в высокогорьях, холодных полярных водах и т. п.
Пойкилотермные и гомойотермные организмы. Представители большинства видов живых организмов не обладают способностью активной терморегуляции своего тела. Их активность зависит прежде всего от тепла, поступающего извне, а температура тела — от величины температуры окружающей среды. Такие организмы называют пойкилотермными .Пойкило-термия свойственна всем микроорганизмам, растениям, беспозвоночным и большей части хордовых.
Только у птиц и млекопитающих тепло, вырабатываемое в процессе интенсивного обмена веществ, служит достаточно надежным источником повышения температуры тела и поддержания ее на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Этому способствует хорошая тепловая изоляция, создаваемая шерстным покровом, плотным оперением, толстым слоем подкожной жировой ткани. Такие организмы называют гомойотермными (или теплокровными).
Частный случай гомоЙотермии — гетеротермия — свойственна животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку или временное оцепенение (суслики, ежи, летучие мыши, сони и др.). В активном состоянии они поддерживают высокую температуру тела, а в случае низкой активности организма — пониженную, что сопровождается замедлением процессов обмена веществ и, как следствие, низкой теплоотдачей.
Температурная адаптация растений. Дня большинства наземных растений оптимальной является температура +25—30°С, а для таких требовательных к теплу растений, как кукуруза, фасоль, соя и другие виды тропического и субтропического происхождения, — +30—35°С. Следует иметь в виду, что для каждой фазы и стадии развития растений существует как оптимальный, так и верхний и нижний пределы температурного режима.
Температурная адаптация животных. По сравнению с растениями животные обладают более разнообразными возможностями адаптации к воздействию различных температур. Обычно выделяют три основных пути температурных адаптации:
1) химическая терморегуляция (усиленное образование тепла в ответ на понижение температуры среды);
2) физическая терморегуляция (изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток);
3) поведенческая терморегуляция (избегание неблагоприятных температур путем перемещений в пространстве или изменение поведения более сложным образом).
Пойкилотермные животные, в отличие от гомойотермных, характеризуются более низким уровнем обмена веществ даже при одинаковой температуре тела. Например, пустынная игуана при температуре +37°С потребляет кислорода в 7 раз меньше, чем грызуны такой же массы. По этой причине в теле пойкилотермных животных вырабатывается мало тепла, и, как следствие, возможности химической и физической терморегуляции ничтожны. Основным способом регуляции температуры тела у них являются:
- особенности поведения — перемена позы, активный поиск благоприятных климатических условий, смена мест обитания, самостоятельное создание нужного микроклимата (сооружение гнезд, рытье нор и т. п.). Например, в сильную жару животные прячутся в тень, скрываются в норах, а некоторые виды пустынных ящериц и змей взбираются на кусты, избегая соприкосновения с раскаленной поверхностью почвы.
Некоторые пойкилотермные животные способны поддерживать оптимальную температуру тела за счет работы мышц. Так, шмели разогревают тело путем активизации мышечных сокращений (дрожью) до +32 и 33°С, что дает им возможность взлетать и кормиться в прохладную погоду.
Гомотермные. поддержание температуры за счет возрастания теплопродукции требует большого расхода энергии, поэтому животные в холодный период года нуждаются в большом количестве пищи или тратят много жировых запасов, накопленных ранее. Например, птицам, остающимся зимовать, страшны не столько морозы, сколько бескормица. В случае хорошего урожая семян ели и сосны клесты зимой даже выводят птенцов. Но при недостатке корма в зимний период такой тип терморегуляции экологически невыгоден, поэтому слабо развит у песцов, моржей, тюленей, белых медведей и других животных, обитающих за полярным кругом.
- расширения кровеносных сосудов кожи, меняющих ее теплопроводность, изменения теплоизолирующих свойств меха и перьевого покрова, регуляции испарительной теплоотдачи.
- Густой мех млекопитающих, перьевой покров птиц позволяют сохранять вокруг тела прослойку воздуха с температурой, близкой к температуре тела животного, и тем самым уменьшать теплоотдачу во внешнюю среду. У обитателей холодного климата хорошо развит слой подкожной жировой клетчатки, который равномерно распределен по всему телу и является хорошим теплоизолятором.
- Эффективным механизмом регуляции теплообмена служит также испарение воды путем потоотделения или через влажные оболочки полости рта (например, у собак). Так, человек при сильной жаре может выделять более 10 л пота в день, способствуя тем самым охлаждению тела.
Поведенческие способы регуляции теплообмена у гомойотермных животных такие же, как и у пойкилотермных.
Адаптации к аридным условиям:
- миграции как в пределах пустынных регионов, так и за их пределы
- ночной или сумеречный образ жизни, при котором активность их приходится на наиболее благоприятные часы суток.
- адаптация к дефициту влаги наблюдается у типичных пустынных птиц рябков. Прилетая на водопой, расположенный нередко за многие километры от мест гнездования, эти птицы смачивают водой перья брюшка и переносят на них значительное количество воды к гнезду. Вода удерживается на перьях благодаря их особой структуре. Этой водой птицы смачивают кладку или поят птенцов.
- ящериц и грызунов на пальцах имеются особые щеточки из роговых чешуек или удлиненных жестких волос.
- Некоторые ящерицы способны вибрирующими движениями тела за несколько секунд зарыться в песок.
Адаптация к арктическим условиям:
- прекрасно развит шерстный покров (даже морда покрывается шестью), и толстый слой подкожного жира
- Для защиты от арктического холода у медведя под кожей есть толстый слой жира. Все его тело, кроме носа и подушечек на лапах, покрывает толстый слой шерсти. Кожа медведя – черная. Этот цвет прекрасно поглощает солнечное тепло. Полые волоски в шерсти помогают переносить солнечный свет к коже. Медвежья шуба белого цвета, но со сменой освещения она становится кремовой или бледно-желтой. Это, скорее, адаптация и маскировка на фоне арктического льда, чем теплоизоляция. Как и у всех арктических животных, у белого медведя в процессе эволюции уменьшились выступающие части тела: небольшие уши и короткий хвост помогают уменьшить потерю тепла. Единственным исключением являются огромные лапы медведя. Именно благодаря им он может распределять свой большой вес на тонкой поверхности льда и грести во время плавания. Медведь прекрасно чувствует себя в воде, поэтому многие зоологи считают его морским млекопитающим, хотя по строению это типично сухопутное животное. Питание белого медведя – тоже пример адаптации: это единственный в мире исключительно плотоядный медведь, питающийся тюленями.
- Немногочисленные птицы, живущие здесь, с легкостью покидаю арктическую зону в начале зимы. Практически все виды птиц являются перелетными. К неперелетным птицам относятся тундровая и белая куропатка, Зимой эти птицы становятся белыми; у них также увеличивается количество перьев т понижается скорость метаболических процессов. Снежная сова всегда белого цвета: ее перьевой покров обеспечивает самый большой уровень теплоизоляции среди всего птичьего оперения. Перья совы доходят до ее когтей. Клюв очень короткий и почти спрятан за густым оперением, покрывающим голову птицы. Снежные совы зимой направляются на юг. Там они могут найти леммингов – самую главную свою добычу, которой они питаются в течении полярной ночи.