Rozmanitosť života na našej planéte je pozoruhodná svojou mierou. Nedávne štúdie kanadských vedcov uvádzajú číslo 8,7 milióna druhov zvierat, rastlín, húb a mikroorganizmov, ktoré obývajú našu planétu. Okrem toho je opísaných len asi 20 % z nich, čo je 1,5 milióna nám známych druhov. Živé organizmy osídlili všetky ekologické niky na planéte. V biosfére nie je miesto, kde by nebol život. Vo výduchoch sopiek a na vrchole Everestu – všade nájdeme život v jeho rôznych prejavoch. A nepochybne, príroda vďačí za takúto rozmanitosť a distribúciu tomu, že sa v procese evolúcie objavil fenomén teplokrvnosti (homotermické organizmy).
Hranica života je teplota
Základom života je metabolizmus organizmu, ktorý závisí od rýchlosti a charakteru chemických procesov. ALEtieto chemické reakcie sú možné len v určitom teplotnom rozsahu, s vlastnými indikátormi a trvaním expozície. Pre väčší počet organizmov sa za hraničné ukazovatele teplotného režimu prostredia považujú od 0 do +50 stupňov Celzia.
Toto je však špekulatívny záver. Bolo by presnejšie povedať, že teplotné limity života budú tie, pri ktorých nedochádza k denaturácii bielkovín, ako aj k nezvratným zmenám v koloidných charakteristikách cytoplazmy buniek, čo je porušenie aktivity životne dôležitých enzýmov. A mnohé organizmy si vyvinuli vysoko špecializované enzymatické systémy, ktoré im umožnili žiť v podmienkach ďaleko za týmito hranicami.
Environmentálna klasifikácia
Hranice optimálnych životných teplôt určujú rozdelenie foriem života na planéte do dvoch skupín – kryofilné a termofilné. Prvá skupina preferuje celý život chlad a je špecializovaná na život v takýchto podmienkach. Viac ako 80 % biosféry planéty tvoria chladné oblasti s priemernou teplotou +5 °C. Sú to hlbiny oceánov, púšte Arktídy a Antarktídy, tundra a vysočiny. Zvýšená odolnosť voči chladu je zabezpečená biochemickými úpravami.
Enzymatický systém kryofilov účinne znižuje aktivačnú energiu biologických molekúl a udržuje metabolizmus v bunke pri teplote blízkej 0 °C. Adaptácie sa zároveň uberajú dvoma smermi – v získavaní odolnosti (opozícia) alebo tolerancie (odolnosť) voči chladu. Ekologická skupina teplomilných sú organizmy, ktoré sú optimálne prektorých životy sú oblasti s vysokými teplotami. Ich životnú aktivitu zabezpečuje aj špecializácia biochemických úprav. Za zmienku stojí, že s komplikáciou organizácie tela klesá jeho termofília.
Telesná teplota
Bilancia tepla v živom systéme je súhrnom jeho prítoku a odtoku. Telesná teplota organizmov závisí od teploty okolia (exogénne teplo). Okrem toho je povinným atribútom života endogénne teplo - produkt vnútorného metabolizmu (oxidačné procesy a rozklad kyseliny adenozíntrifosforečnej). Životná aktivita väčšiny druhov na našej planéte závisí od exogénneho tepla a ich telesná teplota závisí od priebehu teplôt prostredia. Ide o poikilotermné organizmy (poikilos - rôzne), u ktorých je telesná teplota premenlivá.
Poikilotermy sú všetky mikroorganizmy, huby, rastliny, bezstavovce a väčšina strunatcov. A len dve skupiny stavovcov - vtáky a cicavce - sú homoiotermné organizmy (homoios - podobné). Udržujú stálu telesnú teplotu bez ohľadu na okolitú teplotu. Nazývajú sa aj teplokrvné živočíchy. Ich hlavným rozdielom je prítomnosť silného toku vnútorného tepla a systému termoregulačných mechanizmov. Výsledkom je, že v homoiotermných organizmoch prebiehajú všetky fyziologické procesy pri optimálnych a konštantných teplotách.
Pravda a nepravda
Niektoré poikilotermyorganizmy ako ryby a ostnokožce majú tiež stálu telesnú teplotu. Žijú v podmienkach stálych vonkajších teplôt (hĺbky oceánu alebo jaskyne), kde sa teplota okolia nemení. Nazývajú sa falošne homoiotermné organizmy. Mnohé zvieratá, ktoré zažívajú zimný spánok alebo dočasnú strnulosť, majú kolísajúcu telesnú teplotu. Tieto skutočne homoiotermné organizmy (príklady: svište, netopiere, ježkovia, dážďovníky a iné) sa nazývajú heterotermné.
Milá aromorfóza
Výskyt homoiotermie u živých bytostí je veľmi energeticky náročná evolučná akvizícia. Vedci stále polemizujú o pôvode tejto progresívnej zmeny štruktúry, ktorá viedla k zvýšeniu úrovne organizácie. Bolo navrhnutých mnoho teórií o pôvode teplokrvných organizmov. Niektorí vedci pripúšťajú, že aj dinosaury by mohli mať túto vlastnosť. Ale so všetkými nezhodami vedcov je jedna vec istá: objavenie sa homoiotermných organizmov je bioenergetickým javom. A komplikácia životných foriem je spojená s funkčným zlepšením mechanizmov prenosu tepla.
Teplotná kompenzácia
Schopnosť niektorých poikilotermných organizmov udržiavať stálu úroveň metabolických procesov v širokom rozsahu zmien telesnej teploty je zabezpečená biochemickými adaptáciami a nazýva sa teplotná kompenzácia. Je založená na schopnosti niektorých enzýmov meniť svoju konfiguráciu s klesajúcou teplotou a zvyšovať svoju afinitu k substrátu, čím sa zvyšuje rýchlosť reakcií. Napríklad u lastúrnikov lastúrnikyV Barentsovom mori spotreba kyslíka nezávisí od teploty okolia, ktorá sa pohybuje od 25 °C (+5 do +30 °C).
Stredné formy
Evoluční biológovia našli rovnakých zástupcov prechodných foriem od poikilotermných po teplokrvné cicavce. Kanadskí biológovia z Brock University objavili sezónnu teplokrvnosť u argentínskeho čiernobieleho tegu (Alvator merianae). Tento takmer metrový jašter žije v Južnej Amerike. Ako väčšina plazov, aj tegu sa cez deň vyhrieva na slnku a na noc sa skrýva v norách a jaskyniach, kde sa ochladzuje. Ale počas obdobia rozmnožovania od septembra do októbra sa teplota tegu, frekvencia dýchania a rytmus srdcových kontrakcií ráno prudko zvyšujú. Telesná teplota jašterice môže prekročiť teplotu v jaskyni o desať stupňov. To dokazuje prechod foriem zo studenokrvných zvierat na homoiotermné zvieratá.
Mechanizmy termoregulácie
Homoiotermné organizmy vždy pracujú na zabezpečení chodu hlavných systémov – obehového, dýchacieho, vylučovacieho – generovaním minima produkcie tepla. Toto minimum produkované v pokoji sa nazýva bazálny metabolizmus. Prechod do aktívneho stavu u teplokrvných živočíchov zvyšuje produkciu tepla a potrebujú mechanizmy na zvýšenie prenosu tepla, aby sa zabránilo denaturácii bielkovín.
Proces dosiahnutia rovnováhy medzi týmito procesmi zabezpečuje chemická a fyzikálna termoregulácia. Tieto mechanizmy zabezpečujú ochranu homoiotermných organizmov pred nízkymi teplotami aprehrievanie. Mechanizmy na udržiavanie konštantnej telesnej teploty (chemická a fyzikálna termoregulácia) majú rôzne zdroje a sú veľmi rôznorodé.
Chemická termoregulácia
V reakcii na zníženie teploty prostredia teplokrvné živočíchy reflexne zvyšujú produkciu endogénneho tepla. To sa dosahuje zvýšením oxidačných procesov, najmä vo svalových tkanivách. Nekoordinovaná svalová kontrakcia (chvenie) a termoregulačný tonus sú prvými štádiami zvýšenia produkcie tepla. Zároveň sa zvyšuje metabolizmus lipidov a tukové tkanivo sa stáva kľúčom k lepšej termoregulácii. Cicavce v chladnom podnebí majú dokonca hnedý tuk, všetko teplo z oxidácie ide na zahriatie tela. Tento energetický výdaj vyžaduje, aby zviera buď konzumovalo veľké množstvo potravy, alebo aby malo značné tukové zásoby. Pri nedostatku týchto zdrojov má chemická termoregulácia svoje limity.
Mechanizmy fyzickej termoregulácie
Tento typ termoregulácie si nevyžaduje dodatočné náklady na výrobu tepla, ale vykonáva sa zachovaním endogénneho tepla. Uskutočňuje sa vyparovaním (potením), žiarením (žiarením), vedením tepla (kondukciou) a konvekciou pokožky. Metódy fyzickej termoregulácie sa vyvinuli v priebehu evolúcie a sú stále dokonalejšie pri štúdiu fylogenetických sérií od hmyzožravcov a netopierov až po cicavce.
Príkladom takejto regulácie je zúženie alebo rozšírenie krvných vlásočníc kože, ktoré sa menítepelná vodivosť, tepelno-izolačné vlastnosti srsti a peria, protiprúdová výmena tepla krvi medzi povrchovými cievami a cievami vnútorných orgánov. Odvod tepla je regulovaný sklonom srsti a peria, medzi ktorými je udržiavaná vzduchová medzera.
U morských cicavcov je podkožný tuk distribuovaný po celom tele, čím chráni endo-teplo. Napríklad u tuleňov takýto tukový vak dosahuje až 50 % celkovej hmotnosti. Preto sa sneh pod tuleňmi ležiacimi na ľade hodiny neroztopí. Pre zvieratá žijúce v horúcom podnebí by bolo smrteľné rovnomerné rozloženie telesného tuku po celom povrchu tela. Preto sa ich tuk hromadí len v určitých častiach tela (hrb ťavy, tučný chvost ovce), čo nebráni odparovaniu z celého povrchu tela. Zvieratá severného chladného podnebia majú navyše špeciálne tukové tkanivo (hnedý tuk), ktoré sa úplne využíva na zahrievanie tela.
Na juh – väčšie uši a dlhšie nohy
Rôzne časti tela nie sú z hľadiska prenosu tepla ani zďaleka ekvivalentné. Pre udržanie prenosu tepla je dôležitý pomer povrchu telesa a jeho objemu, pretože objem vnútorného tepla závisí od hmotnosti telesa a k prenosu tepla dochádza cez vnútorné vrstvy. Vyčnievajúce časti tela majú veľký povrch, čo je dobré pre horúce podnebie, kde teplokrvné živočíchy potrebujú veľa prenosu tepla. Napríklad veľké uši s mnohými krvnými cievami, dlhými končatinami a chvostom sú typické pre obyvateľov horúceho podnebia (slon, líška fenek, africkájerboa s dlhými ušami). V chladných podmienkach sa adaptácia riadi cestou šetrenia plochy na objem (uši a chvost tuleňov).
Pre teplokrvné živočíchy platí ešte jeden zákon – čím severnejšie žijú zástupcovia jednej fylogenetickej skupiny, tým sú väčší. A to súvisí aj s pomerom objemu odparovacej plochy, a teda aj tepelných strát, a hmotnosti zvieraťa.
Etológia a prenos tepla
Funkcie správania tiež hrajú dôležitú úlohu v procesoch prenosu tepla, a to ako u poikilotermických, tak aj u poikilotermických živočíchov. Patria sem zmeny v držaní tela, výstavba prístreškov a rôzne migrácie. Čím väčšia je hĺbka otvoru, tým je priebeh teplôt hladší. Pre stredné zemepisné šírky, v hĺbke 1,5 metra, sú sezónne teplotné výkyvy nepostrehnuteľné.
Skupinové správanie sa používa aj na termoreguláciu. Tučniaky sa teda k sebe túlia a pevne sa k sebe držia. Vo vnútri haldy je teplota blízka telesnej teplote tučniakov (+37 ° C) aj v tých najťažších mrazoch. Ťavy robia to isté - v strede skupiny je teplota asi +39 °C a srsť najvzdialenejších zvierat sa môže zahriať až na +70 °C.
Hibernácia je špeciálna stratégia
Torpidný stav (stupor) alebo hibernácia sú špeciálne stratégie teplokrvných živočíchov, ktoré umožňujú využiť zmeny telesnej teploty na adaptačné účely. V tomto stave zvieratá prestávajú udržiavať telesnú teplotu a znižujú ju takmer na nulu. Hibernácia je charakterizovaná znížením rýchlosti metabolizmu aspotrebu akumulovaných zdrojov. Ide o dobre regulovaný fyziologický stav, kedy sa termoregulačné mechanizmy prepínajú na nižšiu úroveň – srdcová frekvencia klesá (napr. u plcha zo 450 na 35 úderov za minútu), spotreba kyslíka klesá 20-100-krát.
Prebudenie si vyžaduje energiu a prebieha samoohrievaním, čo si netreba zamieňať s stuporom chladnokrvných živočíchov, kde je spôsobené znížením okolitej teploty a je to stav neregulovaný samotným telom (prebudenie vzniká pod vplyvom vonkajších faktorov).
Stupor je tiež regulovaný stav, no telesná teplota klesá len o niekoľko stupňov a často sprevádza cirkadiánne rytmy. Napríklad kolibríky v noci znecitlivia, keď ich telesná teplota klesne zo 40 °C na 18 °C. Medzi toporom a hibernáciou je veľa prechodov. Aj keď teda spánok medveďov v zimnom období nazývame hibernáciou, v skutočnosti sa ich metabolizmus mierne zníži a telesná teplota klesne len o 3-6 °C. V tomto stave medvedica rodí mláďatá.
Prečo je vo vodnom prostredí málo homoiotermných organizmov
Medzi hydrobiontmi (organizmy žijúce vo vodnom prostredí) je málo zástupcov teplokrvných živočíchov. Veľryby, delfíny, kožušinové tulene sú sekundárne vodné živočíchy, ktoré sa vrátili do vodného prostredia zo súše. Teplokrvnosť je spojená predovšetkým so zvýšením metabolických procesov, ktorých základom sú oxidačné reakcie. A kyslík tu hrá hlavnú úlohu. A ako viete, vvo vodnom prostredí nie je obsah kyslíka vyšší ako 1 % objemu. Difúzia kyslíka vo vode je tisíckrát menšia ako vo vzduchu, čo ho robí ešte menej dostupným. Okrem toho so zvýšením teploty a obohatením vody o organické zlúčeniny klesá obsah kyslíka. To všetko spôsobuje, že existencia veľkého množstva teplokrvných organizmov vo vodnom prostredí je energeticky nepriaznivá.
Pre a proti
Hlavnou výhodou teplokrvných živočíchov oproti studenokrvným je ich ochota konať bez ohľadu na okolitú teplotu. Toto je príležitosť odolať nočným teplotám blízkym bodu mrazu a rozvoju severných území krajiny.
Hlavnou nevýhodou teplokrvnosti je vysoká spotreba energie na udržanie konštantnej telesnej teploty. A hlavným zdrojom je jedlo. Teplokrvný lev potrebuje desaťkrát viac potravy ako chladnokrvný krokodíl rovnakej hmotnosti.
