تنوع حیات در سیاره ما در مقیاس خود قابل توجه است. مطالعات اخیر دانشمندان کانادایی رقمی از 8.7 میلیون گونه جانوری، گیاهی، قارچی و میکروارگانیسمی را نشان می دهد که در سیاره ما ساکن هستند. علاوه بر این، تنها حدود 20٪ از آنها توصیف شده است، و این 1.5 میلیون گونه برای ما شناخته شده است. موجودات زنده در تمام طاقچه های اکولوژیکی روی این سیاره ساکن شده اند. هیچ مکانی در بیوسفر وجود ندارد که در آن زندگی وجود نداشته باشد. در دریچه های آتشفشان ها و در قله اورست - همه جا زندگی را در جلوه های مختلف آن می یابیم. و بی شک طبیعت این گونه تنوع و پراکندگی را مدیون ظهور در روند تکامل پدیده خون گرمی (جانداران هموترمی) است.
مرز زندگی دما است
اساس زندگی متابولیسم بدن است که به سرعت و ماهیت فرآیندهای شیمیایی بستگی دارد. ولیاین واکنش های شیمیایی تنها در یک محدوده دمایی خاص، با شاخص های خاص خود و مدت زمان قرار گرفتن در معرض ممکن است. برای تعداد بیشتری از موجودات، شاخص های مرزی رژیم دمایی محیط از 0 تا 50+ درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود.
اما این یک نتیجه گیری گمانه زنی است. دقیق تر است که بگوییم محدودیت های دمایی زندگی مواردی است که در آن دناتوره شدن پروتئین ها وجود ندارد و همچنین تغییرات غیرقابل برگشت در ویژگی های کلوئیدی سیتوپلاسم سلول ها ، نقض فعالیت آنزیم های حیاتی است. و بسیاری از ارگانیسم‌ها سیستم‌های آنزیمی بسیار تخصصی را تکامل داده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد در شرایطی بسیار فراتر از این محدودیت‌ها زندگی کنند.
طبقه بندی زیست محیطی
مرزهای دمای بهینه حیات، تقسیم اشکال حیات را در این سیاره به دو گروه - کرایوفیل ها و ترموفیل ها تعیین می کند. گروه اول سرما را برای زندگی ترجیح می دهند و در چنین شرایطی برای زندگی متخصص هستند. بیش از 80 درصد از بیوسفر این سیاره مناطق سردسیر با میانگین دمای 5+ درجه سانتی گراد است. اینها اعماق اقیانوس ها، بیابان های قطب شمال و قطب جنوب، تاندرا و ارتفاعات هستند. افزایش مقاومت به سرما توسط سازگاری های بیوشیمیایی ایجاد می شود.
سیستم آنزیمی کرایوفیل ها به طور موثری انرژی فعال سازی مولکول های بیولوژیکی را کاهش می دهد و متابولیسم را در سلول در دمای نزدیک به ۰ درجه سانتی گراد حفظ می کند. در عین حال، سازگاری ها در دو جهت پیش می روند - در کسب مقاومت (مخالفت) یا تحمل (مقاومت) در برابر سرما. گروه اکولوژیکی ترموفیل ها موجوداتی هستند که برای آنها بهینه هستندکه زندگی آنها مناطقی با درجه حرارت بالا است. فعالیت زندگی آنها نیز توسط تخصص سازگاری های بیوشیمیایی ارائه می شود. شایان ذکر است با عارضه سازماندهی بدن، توانایی آن در ترموفیلی کاهش می یابد.
دمای بدن
تعادل گرما در یک سیستم زنده کل جریان ورودی و خروجی آن است. دمای بدن موجودات به دمای محیط (گرمای اگزوژن) بستگی دارد. علاوه بر این، یک ویژگی اجباری زندگی گرمای درون زا است - محصول متابولیسم داخلی (فرایندهای اکسیداتیو و تجزیه اسید آدنوزین تری فسفریک). فعالیت حیاتی بیشتر گونه ها در سیاره ما به گرمای اگزوژن بستگی دارد و دمای بدن آنها به سیر دمای محیط بستگی دارد. اینها موجودات پوکیلوترمیک (poikilos - مختلف) هستند که دمای بدن در آنها متغیر است.
Poikilotherms همه میکروارگانیسم ها، قارچ ها، گیاهان، بی مهرگان و بیشتر آکوردها هستند. و تنها دو گروه از مهره داران - پرندگان و پستانداران - موجودات همیوترمی هستند (هومویوس - مشابه). آنها بدون توجه به دمای محیط، دمای بدن را ثابت نگه می دارند. به آنها حیوانات خونگرم نیز می گویند. تفاوت اصلی آنها وجود یک جریان قدرتمند گرمای داخلی و یک سیستم مکانیسم های تنظیم کننده حرارت است. در نتیجه، در موجودات همیوترمیک، تمام فرآیندهای فیزیولوژیکی در دمای بهینه و ثابت انجام می‌شود.
درست و نادرست
برخی گرمازاموجوداتی مانند ماهی و خارپوستان نیز دمای بدن ثابتی دارند. آنها در شرایط دمای ثابت خارجی (اعماق اقیانوس یا غارها) زندگی می کنند، جایی که دمای محیط تغییر نمی کند. آنها را ارگانیسم های کاذب همیوترمی می نامند. بسیاری از حیواناتی که خواب زمستانی یا خستگی موقت را تجربه می کنند، دمای بدنشان در نوسان است. این موجودات واقعاً هم گرما (مثلاً: مارموت ها، خفاش ها، جوجه تیغی ها، سوئیفت ها و دیگران) هتروترمال نامیده می شوند.
آرومورفوزیس عزیز
ظاهر همیوترمی در موجودات زنده یک دستاورد تکاملی بسیار انرژی بر است. محققان هنوز در مورد منشأ این تغییر تدریجی در ساختار که منجر به افزایش سطح سازمان شد، بحث می کنند. نظریه های زیادی برای منشاء موجودات خون گرم ارائه شده است. برخی از محققان اذعان می کنند که حتی دایناسورها نیز می توانند این ویژگی را داشته باشند. اما با همه اختلاف نظر دانشمندان، یک چیز مسلم است: ظهور موجودات همیوترمیک یک پدیده بیوانرژیک است. و عارضه اشکال زندگی با بهبود عملکرد مکانیسم های انتقال حرارت همراه است.
جبران دما
توانایی برخی از ارگانیسم های پوکیلوترمیک برای حفظ سطح ثابت فرآیندهای متابولیک در طیف وسیعی از تغییرات دمای بدن توسط سازگاری های بیوشیمیایی فراهم می شود و جبران دما نامیده می شود. این بر اساس توانایی برخی از آنزیم ها برای تغییر پیکربندی خود با کاهش دما و افزایش میل ترکیبی خود با بستر، افزایش سرعت واکنش ها است. به عنوان مثال، در صدف دوکفه ایدر دریای بارنتز، مصرف اکسیژن به دمای محیط که از 25 درجه سانتیگراد (5+ تا 30+ درجه سانتیگراد) متغیر است، بستگی ندارد.
فرم های متوسط
زیست شناسان تکاملی همان نمایندگان اشکال انتقالی از پستانداران پویکیلوترمیک به خونگرم را یافته اند. زیست شناسان کانادایی از دانشگاه براک، خون گرمی فصلی را در تگو سیاه و سفید آرژانتینی (Alvator merianae) کشف کردند. این مارمولک تقریبا متری در آمریکای جنوبی زندگی می کند. مانند بسیاری از خزندگان، تگو در طول روز در معرض نور خورشید قرار می گیرد و شب ها در گودال ها و غارها پنهان می شود، جایی که خنک می شود. اما در طول فصل تولید مثل از سپتامبر تا اکتبر، دمای تگو، تعداد تنفس و ریتم انقباضات قلب در صبح به شدت افزایش می یابد. دمای بدن یک مارمولک می تواند ده درجه بیشتر از دمای یک غار باشد. این انتقال اشکال از حیوانات خونسرد به حیوانات همیوترمیک را ثابت می کند.
مکانیسم های تنظیم حرارت
جانداران هموترمیک همیشه برای اطمینان از عملکرد سیستم های اصلی - گردش خون، تنفس، دفع - با تولید حداقل تولید گرما کار می کنند. این حداقل تولید شده در حالت استراحت متابولیسم پایه نامیده می شود. انتقال به حالت فعال در حیوانات خونگرم تولید گرما را افزایش می دهد و آنها به مکانیسم هایی برای افزایش انتقال حرارت برای جلوگیری از دناتوره شدن پروتئین نیاز دارند.
فرایند دستیابی به تعادل بین این فرآیندها با تنظیم حرارت شیمیایی و فیزیکی فراهم می شود. این مکانیسم ها از ارگانیسم های همیوترمیک در برابر دماهای پایین محافظت می کنندگرم شدن بیش از حد مکانیسم‌های حفظ دمای ثابت بدن (تنظیم حرارت شیمیایی و فیزیکی) منابع مختلفی دارند و بسیار متنوع هستند.
تنظیم حرارت شیمیایی
در پاسخ به کاهش دمای محیط، حیوانات خونگرم به طور انعکاسی تولید گرمای درون زا را افزایش می دهند. این امر با افزایش فرآیندهای اکسیداتیو به ویژه در بافت های عضلانی به دست می آید. انقباض ناهماهنگ عضلانی (لرزش) و تون تنظیم حرارت اولین مراحل افزایش تولید گرما است. در همان زمان، متابولیسم لیپید افزایش می یابد و بافت چربی کلید تنظیم حرارت بهتر می شود. پستانداران در آب و هوای سرد حتی چربی قهوه ای دارند که تمام گرمای ناشی از اکسیداسیون آن به گرم کردن بدن می رسد. این مصرف انرژی به حیوان نیاز دارد که مقدار زیادی غذا مصرف کند یا ذخایر چربی قابل توجهی داشته باشد. با کمبود این منابع، تنظیم حرارت شیمیایی محدودیت‌هایی دارد.
مکانیسم های تنظیم حرارت فیزیکی
این نوع تنظیم حرارتی نیازی به هزینه های اضافی برای تولید گرما ندارد، اما با حفظ گرمای درون زا انجام می شود. از طریق تبخیر (تعریق)، تابش (تابش)، رسانش گرما (رسانا) و همرفت پوست انجام می شود. روش‌های تنظیم حرارت فیزیکی در سیر تکامل توسعه یافته‌اند و با مطالعه سری فیلوژنتیک از حشره‌خواران و خفاش‌ها تا پستانداران، روز به روز کامل‌تر می‌شوند.
نمونه ای از این تنظیم، باریک شدن یا گشاد شدن مویرگ های خونی پوست است که تغییر می کند.هدایت حرارتی، خاصیت عایق حرارتی خز و پر، تبادل حرارتی خلاف جریان خون بین عروق سطحی و عروق اندام های داخلی. اتلاف گرما توسط شیب موهای خز و پرها تنظیم می شود، که بین آنها یک شکاف هوا حفظ می شود.
در پستانداران دریایی، چربی زیر جلدی در سرتاسر بدن توزیع می شود و از گرمای درونی محافظت می کند. به عنوان مثال، در مهر و موم، چنین کیسه چربی تا 50 درصد وزن کل می رسد. به همین دلیل است که برف ساعت ها زیر آب بندی های روی یخ آب نمی شود. برای حیواناتی که در آب و هوای گرم زندگی می کنند، توزیع یکنواخت چربی بدن در کل سطح بدن کشنده خواهد بود. بنابراین چربی آنها فقط در قسمت های خاصی از بدن (کوهان شتر، دم چاق گوسفند) جمع می شود که از تبخیر تمام سطح بدن جلوگیری نمی کند. بعلاوه جانوران آب و هوای سرد شمالی دارای بافت چربی مخصوص (چربی قهوه ای) هستند که به طور کامل برای گرم کردن بدن استفاده می شود.
جنوب‌تر - گوش‌های بزرگتر و پاهای بلندتر
قسمت های مختلف بدن از نظر انتقال گرما با هم برابر نیستند. برای حفظ انتقال حرارت، نسبت سطح بدن و حجم آن مهم است، زیرا حجم گرمای داخلی به جرم بدن بستگی دارد و انتقال حرارت از طریق لایه‌های پوششی صورت می‌گیرد. قسمت های بیرون زده بدن دارای سطح بزرگی هستند که برای آب و هوای گرم که حیوانات خونگرم به انتقال حرارت زیادی نیاز دارند، خوب است. به عنوان مثال، گوش های بزرگ با رگ های خونی زیاد، اندام های بلند و دم برای ساکنان آب و هوای گرم (فیل، روباه فنک، آفریقایی) معمول است.جربوآ گوش دراز). در شرایط سرد، سازگاری مسیر صرفه جویی در ناحیه به حجم (گوش و دم مهرها) را دنبال می کند.
قانون دیگری برای حیوانات خونگرم وجود دارد - هر چه نمایندگان یک گروه فیلوژنتیک در شمال بیشتر زندگی کنند، بزرگتر هستند. و این نیز با نسبت حجم سطح تبخیر، و بر این اساس، از دست دادن گرما، و جرم حیوان مرتبط است.
اتولوژی و انتقال حرارت
ویژگی های رفتاری نیز نقش مهمی در فرآیندهای انتقال حرارت، هم برای حیوانات گرمازا و هم برای حیوانات گرمازا ایفا می کنند. این شامل تغییر در وضعیت بدنی و ساختن پناهگاه ها و مهاجرت های مختلف می شود. هر چه عمق سوراخ بیشتر باشد، روند دما هموارتر می شود. برای عرض های جغرافیایی متوسط، در عمق 1.5 متری، نوسانات دمای فصلی غیرقابل محسوس است.
رفتار گروهی
نیز برای تنظیم حرارت استفاده می شود. بنابراین، پنگوئن ها دور هم جمع می شوند و محکم به یکدیگر می چسبند. در داخل کپه، درجه حرارت نزدیک به دمای بدن پنگوئن ها (+37 درجه سانتیگراد) حتی در شدیدترین یخبندان است. شترها هم همین کار را می کنند - در مرکز گروه دما حدود 39+ درجه سانتی گراد است و خز بیرونی ترین حیوانات را می توان تا 70+ درجه سانتی گراد گرم کرد.
خواب زمستانی یک استراتژی ویژه است
حالت تورپید (بی‌حالی) یا خواب زمستانی، استراتژی‌های ویژه حیوانات خونگرم است که امکان استفاده از تغییرات دمای بدن را برای اهداف سازگاری فراهم می‌کند. در این حالت حیوانات حفظ دمای بدن را متوقف می کنند و آن را تقریبا به صفر می رسانند. خواب زمستانی با کاهش سرعت متابولیسم ومصرف منابع انباشته این یک حالت فیزیولوژیکی به خوبی تنظیم شده است، هنگامی که مکانیسم های تنظیم کننده حرارت به سطح پایین تر تغییر می کند - ضربان قلب کاهش می یابد (به عنوان مثال، در یک خوابگاه از 450 به 35 ضربه در دقیقه)، مصرف اکسیژن 20-100 برابر کاهش می یابد.
بیداری نیاز به انرژی دارد و با گرم شدن خود اتفاق می افتد، که نباید با بی حسی حیوانات خونسرد اشتباه گرفته شود، جایی که ناشی از کاهش دمای محیط است و حالتی است که توسط خود بدن تنظیم نشده است (بیداری). تحت تأثیر عوامل خارجی رخ می دهد).
بی‌حالی نیز حالتی تنظیم‌شده است، اما دمای بدن تنها چند درجه کاهش می‌یابد و اغلب با ریتم‌های شبانه‌روزی همراه است. به عنوان مثال، مرغ مگس خوار در شب وقتی دمای بدن آنها از 40 درجه سانتیگراد به 18 درجه سانتیگراد کاهش می یابد، بی حس می شوند. بین خستگی و خواب زمستانی انتقال های زیادی وجود دارد. بنابراین، اگرچه ما خواب خرس ها را در زمستان خواب زمستانی می نامیم، اما در واقع، متابولیسم آنها کمی کاهش می یابد و دمای بدن آنها تنها 3-6 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. در این حالت است که خرس توله به دنیا می آورد.
چرا موجودات همیوترمیک کمی در محیط آبی وجود دارد
در میان هیدروبیونت ها (جاندارانی که در محیط آبی زندگی می کنند) نمایندگان کمی از حیوانات خونگرم وجود دارد. نهنگ ها، دلفین ها، فوک های خز آبزیان ثانویه ای هستند که از خشکی به محیط آبی بازگشته اند. خون گرمی در درجه اول با افزایش فرآیندهای متابولیک همراه است که اساس آن واکنش های اکسیداسیون است. و اکسیژن در اینجا نقش اصلی را ایفا می کند. و همانطور که می دانید دردر محیط آبی، محتوای اکسیژن بیشتر از 1٪ حجمی نیست. انتشار اکسیژن در آب هزاران بار کمتر از هوا است و همین امر باعث می‌شود که اکسیژن در آب کمتر شود. علاوه بر این، با افزایش دما و غنی شدن آب با ترکیبات آلی، میزان اکسیژن کاهش می یابد. همه اینها وجود تعداد زیادی از موجودات خون گرم را در محیط آبی از نظر انرژی نامطلوب می کند.
مزایا و معایب
مزیت اصلی حیوانات خونگرم نسبت به خونسردها تمایل آنها به عمل بدون توجه به دمای محیط است. این فرصتی است برای مقاومت در برابر دمای شبانه نزدیک به انجماد و توسعه مناطق شمالی زمین.
ایراد اصلی خون گرمی مصرف بالای انرژی برای حفظ دمای ثابت بدن است. و منبع اصلی این امر غذا است. یک شیر خونگرم ده برابر بیشتر از یک تمساح خونسرد هم وزن به غذا نیاز دارد.
