Температура
Температура является важнейшим экологическим фактором: от нее зависит ход всех биологических процессов, объем продуцируемой биомассы, распространение организмов в биосфере. Температурные условия создают зональность – распределение организмов по Земле в горизонтальном направлении и стратификацию – вертикальное распределение их по уровням в воде. Наряду с обеспечением водой фактор температуры определяет типы экосистем.
Поскольку жизнь есть способ существования белковых тел, то все важнейшие жизненные процессы могут происходить только в интервале температур, в котором возможно нормальное строение и функционирование белков – от 0 до +50°С. Температуры в этих пределах определяют скорость биохимических реакций. Согласно правилу Вант-Гоффа (1852—1911 гг.), при повышении температуры на каждые 10° (скорость большинства химических реакций возрастает в 2—3 раза).
Однако имеются организмы, которые приспособили строение своих белков для функционирования при более высоких и более низких температурах. Так, холодолюбивые организмы – криофиты (от греч. kryos – холод) сохраняют активность при температурах до -80°С, а термофиты (от греч. therme – тепло) – при температурах от 50 до 80°С . Ими являются некоторые бактерии, водоросли, членистоногие, пресмыкающиеся, рыбы и др.
Кроме того, в неактивном состоянии некоторые организмы могут переносить еще более экстремальные температуры. Споры некоторых бактерий, семена и споры растений, некоторые черви и членистоногие способны переносить температуры, близкие к абсолютному нулю, а затем восстанавливать свою активность.
Временная приостановка организмами их жизненных процессов называется анабиозом.
Значения температур, выше и ниже которых жизненные процессы уже невозможны, называют верхним и нижним температурными порогами. Как правило, верхние пределы температур бывают для организмов более критическими, чем нижние.
Для обитания в разных температурных условиях организмы в процессе эволюции выработали способность приспосабливаться – адаптации: поведенческие, морфологические и физиологические.
Адаптации к температурному фактору делят на две большие группы:
1) пассивные — подчинение фактору:
– впадание в спячку в неблагоприятный период года (жаркий на юге и холодный на севере), во время которой, все жизненные процессы существенно замедляются;
– анабиоз, при котором жизненные процессы приостанавливаются;
2) активные — приспособления, позволяющие активно функционировать при неблагоприятных температурах.
Поведенческие адаптации направлены на избегание неблагоприятных температур и наиболее полное использование благоприятных. К поведенческим адаптациям относятся: перелеты птиц; строительство животными укрытий (нор, берлог и др.), их утепление; образование скоплений особей, позволяющих снизить неблагоприятное действие низких и высоких температур (пчелы др.).
Морфологические адаптации – приспособления путем изменения строения тела: развитие пухового, перьевого, шерстяного покровов, запасание жира, изменение окраски. Наибольшую известность получили два экологических правила – правило Д. Аллена (1848 г.) и правило К. Бергмана (1877).
Правило Бергмана: у организмов северных широт размеры тела намного крупнее, чем у родственных им организмов южных широт.
Так, из всех видов медведей самым крупным является белый медведь, обитающий в Арктике, его масса достигает 1 тонны, а из тигров – уссурийский, живущий в тайге.
Правило Аллена: выступающие части тела – носы, хвосты, уши, конечности и др. у животных южных широт развиты сильнее, чем у родственных им животных северных широт (рисунок 11.1).
Рис. 11.1. Разница в величине ушей у песца (1), лисицы обыкновен¬ной (2) и лисицы Фенека (3)
Эти морфологические адаптации объясняются законами терморегуляции: чем больше поверхность тела животных, тем сильнее идет отдача с нее тепла в окружающую среду. Поскольку у мелких животных отношение поверхности тела к его массе больше, чем у крупных, то большей является и отдача тепла на единицу площади – удельная теплоотдача.
При низких температурах животные пытаются уменьшить поверхность тела, сворачиваясь в клубок.
Описанные закономерности прослеживаются при рассмотрении адаптивных типов человека: форма тела коренных жителей крайнего Севера – эскимосов и других отличается низким ростом и короткими конечностями. Жители тропических широт, наоборот, часто имеют длинные конечности, большие носы, толстые губы, с поверхности которых идет испарение влаги и отдача тепла.
Физиологические адаптации. У высших животных – птиц и млекопитающих, имеющих высокий уровень обмена веществ, в процессе эволюции выработалась способность поддерживать постоянную температуру тела, не зависящую от внешней среды. По этой причине птиц и млекопитающих называют гомойотермными (от греч. homoios – одинаковый) животными. Поддержание постоянства температуры их тел осуществляется двумя путями:
1) химическим – регуляцией процессов теплопродукции (производства тепла);
2) физическим – изменением интенсивности отдачи тепла испарением влаги, конвекцией (отдачей избытков тепла в воздух) и радиацией (отдачей тепла другим поверхностям).
Частным случаем гомойотермии является гетеротермия, наблюдаемая у некоторых млекопитающих в период спячки в неблагоприятный период года. В таком состоянии у них резко снижается обмен веществ, что позволяет им не тратить энергию на компенсацию температурного фактора. Летучие мыши впадают в оцепенение днем и в это время температура их тел равна температуре окружающей среды.
Все остальные группы животных, растения, бактерии и грибы являются пойкилотермными (от греч. poikilos – изменчивый). Они имеют низкий уровень обмена веществ, не позволяющий им поддерживать постоянную температуру тела. Температура их тел равна температуре окружающей среды, а их развитие и активность полностью зависят от ее значений: при низких температурах они приостанавливаются.
Разницу между температурой окружающей среды и нижним температурным порогом называют эффективной температурой, а минимальное количество тепла, необходимое пойкилотермным организмам для завершения их полного жизненного цикла – суммой эффективных температур, или суммой тепла.
Составитель преподаватель АКС Гакипова А.Д.