تنوع الحياة على كوكبنا مدهش في نطاقه. تشير الدراسات الحديثة التي أجراها علماء كنديون إلى رقم 8.7 مليون نوع من الحيوانات والنباتات والفطريات والكائنات الدقيقة التي تعيش على كوكبنا. علاوة على ذلك ، تم وصف حوالي 20٪ فقط منهم ، وهذا هو 1.5 مليون نوع معروف لنا. لقد سكنت الكائنات الحية جميع المنافذ البيئية على هذا الكوكب. لا يوجد مكان داخل المحيط الحيوي لا توجد فيه حياة. في فتحات البراكين وعلى قمة إيفرست - في كل مكان نجد الحياة بمظاهرها المختلفة. ومما لا شك فيه أن الطبيعة تدين بمثل هذا التنوع والتوزيع للظهور في عملية تطور ظاهرة ذوات الدم الحار (الكائنات الحية الحرارية).
حدود الحياة هي درجة الحرارة
أساس الحياة هو التمثيل الغذائي في الجسم ، والذي يعتمد على سرعة وطبيعة العمليات الكيميائية. لكنهذه التفاعلات الكيميائية ممكنة فقط في نطاق درجة حرارة معينة ، مع مؤشراتها الخاصة ومدة التعرض. بالنسبة لعدد أكبر من الكائنات الحية ، تعتبر مؤشرات الحدود لنظام درجة حرارة البيئة من 0 إلى +50 درجة مئوية.
لكن هذا استنتاج تخميني. سيكون من الأدق القول إن حدود درجة حرارة الحياة ستكون تلك التي لا يوجد فيها تمسخ للبروتينات ، بالإضافة إلى تغييرات لا رجعة فيها في الخصائص الغروانية للسيتوبلازم في الخلايا ، وهو انتهاك لنشاط الإنزيمات الحيوية. وقد طورت العديد من الكائنات الحية أنظمة إنزيمية عالية التخصص سمحت لها بالعيش في ظروف أبعد من هذه الحدود.
التصنيف البيئي
تحدد حدود درجات حرارة الحياة المثلى تقسيم أشكال الحياة على الكوكب إلى مجموعتين - محبي التجميد والحرارة. تفضل المجموعة الأولى البرد مدى الحياة وتتخصص في الحياة في مثل هذه الظروف. أكثر من 80٪ من المحيط الحيوي للكوكب عبارة عن مناطق باردة بمتوسط درجة حرارة +5 درجة مئوية. هذه هي أعماق المحيطات ، وصحاري القطب الشمالي والقطب الجنوبي ، والتندرا والمرتفعات. يتم توفير مقاومة البرودة المتزايدة من خلال التكيفات البيوكيميائية.
يقلل النظام الأنزيمي لعشاق التبريد بشكل فعال طاقة تنشيط الجزيئات البيولوجية ويحافظ على التمثيل الغذائي في الخلية عند درجة حرارة قريبة من 0 درجة مئوية. في الوقت نفسه ، تسير عمليات التكيف في اتجاهين - في اكتساب المقاومة (المقاومة) أو التسامح (المقاومة) للبرودة. المجموعة البيئية للحرارة هي الكائنات الحية المثلىالذين يعيشون في مناطق ذات درجات حرارة عالية. يتم توفير نشاط حياتهم أيضًا من خلال التخصص في التكيفات البيوكيميائية. ومن الجدير بالذكر أنه مع تعقيد تنظيم الجسم ، تقل قدرته على الثرموفيليا.
درجة حرارة الجسم
توازن الحرارة في النظام الحي هو مجمل التدفق الداخلي والخارجي. تعتمد درجة حرارة الجسم للكائنات الحية على درجة الحرارة المحيطة (الحرارة الخارجية). بالإضافة إلى ذلك ، السمة الإلزامية للحياة هي الحرارة الذاتية - نتاج عملية التمثيل الغذائي الداخلي (عمليات الأكسدة وانهيار حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك). يعتمد النشاط الحيوي لمعظم الأنواع على كوكبنا على الحرارة الخارجية ، وتعتمد درجة حرارة أجسامهم على مسار درجات الحرارة المحيطة. هذه كائنات حية متغيرة الحرارة (poikilos - مختلفة) ، حيث درجة حرارة الجسم متغيرة.
Poikilotherms جميع الكائنات الحية الدقيقة والفطريات والنباتات واللافقاريات ومعظم الحبليات. وهناك مجموعتان فقط من الفقاريات - الطيور والثدييات - هي كائنات متجانسة الحرارة (متماثلون - متشابهة). يحافظون على درجة حرارة ثابتة للجسم ، بغض النظر عن درجة الحرارة المحيطة. ويطلق عليهم أيضًا اسم الحيوانات ذوات الدم الحار. يتمثل الاختلاف الرئيسي بينهما في وجود تدفق قوي للحرارة الداخلية ونظام من آليات التنظيم الحراري. نتيجة لذلك ، في الكائنات الحية المتجانسة الحرارة ، يتم تنفيذ جميع العمليات الفسيولوجية في درجات حرارة مثلى وثابتة.
صحيح و خطأ
بعض درجات الحرارةالكائنات الحية مثل الأسماك وشوكيات الجلد لها أيضًا درجة حرارة ثابتة للجسم. إنهم يعيشون في ظروف درجات حرارة خارجية ثابتة (أعماق المحيط أو الكهوف) ، حيث لا تتغير درجة الحرارة المحيطة. يطلق عليهم كائنات متجانسة الحرارة. العديد من الحيوانات التي تعاني من السبات أو السبات المؤقت لها درجات حرارة متقلبة في الجسم. تسمى هذه الكائنات المتجانسة الحرارة (أمثلة: المرموط ، الخفافيش ، القنافذ ، المروحية ، وغيرها) غير المتجانسة.
عزيزي الروائح
ظهور الحرارة المتماثلة في الكائنات الحية هو اكتساب تطوري مستهلك للطاقة للغاية. لا يزال العلماء يتجادلون حول أصل هذا التغيير التدريجي في الهيكل ، مما أدى إلى زيادة مستوى التنظيم. تم اقتراح العديد من النظريات حول أصل الكائنات ذوات الدم الحار. يعترف بعض الباحثين أنه حتى الديناصورات يمكن أن تمتلك هذه الميزة. ولكن مع كل خلافات العلماء ، هناك شيء واحد مؤكد: ظهور الكائنات المتجانسة الحرارة هو ظاهرة بيولوجية. وترتبط مضاعفات أشكال الحياة بالتحسين الوظيفي لآليات نقل الحرارة.
تعويض درجة الحرارة
يتم توفير قدرة بعض الكائنات الحية المتولدة الحرارة على الحفاظ على مستوى ثابت من عمليات التمثيل الغذائي في نطاق واسع من التغيرات في درجة حرارة الجسم من خلال التكيفات البيوكيميائية وتسمى تعويض درجة الحرارة. يعتمد على قدرة بعض الإنزيمات على تغيير تكوينها مع انخفاض درجة الحرارة وزيادة تقاربها مع الركيزة ، مما يزيد من معدل التفاعلات. على سبيل المثال ، في بلح البحر ذات الصدفتينفي بحر بارنتس ، لا يعتمد استهلاك الأكسجين على درجات الحرارة المحيطة ، والتي تتراوح من 25 درجة مئوية (+5 إلى +30 درجة مئوية).
النماذج الوسيطة
وجد علماء الأحياء التطورية نفس الممثلين للأشكال الانتقالية من الثدييات شديدة الحرارة إلى الثدييات ذوات الدم الحار. اكتشف علماء الأحياء الكنديون من جامعة بروك ذرات الدم الحار الموسمية في تيجو الأرجنتيني الأسود والأبيض (ألفاتور ميرياناي). تعيش هذه السحلية التي يبلغ طولها مترًا تقريبًا في أمريكا الجنوبية. مثل معظم الزواحف ، تتشمس الزواحف في الشمس أثناء النهار ، وتختبئ في الجحور والكهوف في الليل ، حيث تبرد. ولكن خلال موسم التكاثر من سبتمبر إلى أكتوبر ، تزداد درجة حرارة تيجو ومعدل التنفس وإيقاع تقلصات القلب في الصباح بشكل حاد. يمكن أن تتجاوز درجة حرارة جسم السحلية درجة الحرارة في الكهف بعشر درجات. هذا يثبت انتقال الأشكال من الحيوانات ذوات الدم البارد إلى الحيوانات متجانسة الحرارة.
آليات التنظيم الحراري
تعمل الكائنات المتجانسة الحرارة دائمًا لضمان تشغيل الأنظمة الرئيسية - الدورة الدموية ، والجهاز التنفسي ، والإخراج - عن طريق توليد الحد الأدنى من إنتاج الحرارة. هذا الحد الأدنى الناتج في حالة الراحة يسمى التمثيل الغذائي الأساسي. يؤدي الانتقال إلى الحالة النشطة في الحيوانات ذوات الدم الحار إلى زيادة إنتاج الحرارة ، ويحتاجون إلى آليات لزيادة نقل الحرارة لمنع تمسخ البروتين.
يتم توفير عملية تحقيق التوازن بين هذه العمليات من خلال التنظيم الحراري الكيميائي والفيزيائي. توفر هذه الآليات الحماية للكائنات الحية المتجانسة الحرارة من درجات الحرارة المنخفضة وارتفاع درجة الحرارة. آليات الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم (التنظيم الحراري الكيميائي والفيزيائي) لها مصادر مختلفة ومتنوعة للغاية.
التنظيم الحراري الكيميائي
استجابة لانخفاض درجة حرارة البيئة ، تزيد الحيوانات ذوات الدم الحار بشكل انعكاسي من إنتاج الحرارة الذاتية. يتم تحقيق ذلك عن طريق زيادة عمليات الأكسدة ، وخاصة في أنسجة العضلات. يعتبر تقلص العضلات غير المتناسق (الارتعاش) ونغمة التنظيم الحراري هي المراحل الأولى لزيادة إنتاج الحرارة. في الوقت نفسه ، يزداد التمثيل الغذائي للدهون ، وتصبح الأنسجة الدهنية هي المفتاح لتحسين التنظيم الحراري. تحتوي الثدييات في المناخ البارد أيضًا على دهون بنية ، وكل الحرارة الناتجة عن الأكسدة تؤدي إلى تدفئة الجسم. يتطلب إنفاق الطاقة هذا من الحيوان إما أن يستهلك كمية كبيرة من الطعام أو أن يكون لديه احتياطيات كبيرة من الدهون. مع نقص هذه الموارد ، يكون للتنظيم الحراري الكيميائي حدوده.
آليات التنظيم الحراري الفيزيائي
لا يتطلب هذا النوع من التنظيم الحراري تكاليف إضافية لتوليد الحرارة ، ولكن يتم تنفيذه عن طريق الحفاظ على الحرارة الداخلية. يتم عن طريق التبخر (التعرق) والإشعاع (الإشعاع) والتوصيل الحراري (التوصيل) والحمل الحراري للجلد. لقد تطورت طرق التنظيم الحراري الفيزيائي في سياق التطور وأصبحت مثالية أكثر فأكثر عند دراسة سلسلة النشوء والتطور من آكلات الحشرات والخفافيش إلى الثدييات.
مثال على هذا التنظيم هو تضييق أو توسع الشعيرات الدموية للجلد ، والذي يتغيرالموصلية الحرارية ، خصائص العزل الحراري للفراء والريش ، التبادل الحراري المعاكس للدم بين الأوعية السطحية وأوعية الأعضاء الداخلية. يتم تنظيم تبديد الحرارة من خلال منحدر شعر الفراء والريش ، حيث يتم الحفاظ على فجوة هوائية.
في الثدييات البحرية ، يتم توزيع الدهون تحت الجلد في جميع أنحاء الجسم ، مما يحمي الحرارة الداخلية. على سبيل المثال ، في الأختام ، يصل كيس الدهون هذا إلى 50٪ من الوزن الإجمالي. هذا هو السبب في أن الثلج لا يذوب تحت الفقمات الملقاة على الجليد لساعات. بالنسبة للحيوانات التي تعيش في المناخات الحارة ، فإن التوزيع المتساوي لدهون الجسم على كامل سطح الجسم سيكون قاتلاً. لذلك ، فإن دهونهم تتراكم فقط في أجزاء معينة من الجسم (سنام الجمل ، ذيل الخروف) ، مما لا يمنع التبخر من كامل سطح الجسم. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع حيوانات المناخ البارد الشمالي بنسيج دهني خاص (الدهون البنية) ، والذي يستخدم بالكامل لتدفئة الجسم.
جنوبًا - آذان أكبر وأرجل أطول
أجزاء مختلفة من الجسم بعيدة كل البعد عن التكافؤ من حيث انتقال الحرارة. للحفاظ على انتقال الحرارة ، فإن نسبة سطح الجسم وحجمه مهمة ، لأن حجم الحرارة الداخلية يعتمد على كتلة الجسم ، ويحدث انتقال الحرارة من خلال العناصر المدمجة. الأجزاء البارزة من الجسم لها سطح كبير ، وهو أمر جيد للمناخات الحارة ، حيث تحتاج الحيوانات ذوات الدم الحار إلى الكثير من نقل الحرارة. على سبيل المثال ، الآذان الكبيرة مع العديد من الأوعية الدموية والأطراف الطويلة والذيل هي نموذجية للمقيمين في المناخ الحار (الفيل ، الثعلب الفنك ، الأفريقيالجربوع طويلة الأذن). في الظروف الباردة ، يتبع التكيف مسار توفير المساحة إلى الحجم (الأذنين وذيل الأختام).
هناك قانون آخر للحيوانات ذوات الدم الحار - فكلما عاش ممثلو الشمال الآخر لمجموعة واحدة من النشوء والتطور ، زاد حجمهم. وهذا مرتبط أيضًا بنسبة حجم سطح التبخر ، وبالتالي فقدان الحرارة ، وكتلة الحيوان.
علم السلوك ونقل الحرارة
تلعب الميزات السلوكية أيضًا دورًا مهمًا في عمليات نقل الحرارة ، لكل من الحيوانات شديدة الحرارة والحيوانات المنزلية. وهذا يشمل التغييرات في الوضع ، وبناء الملاجئ ، والهجرات المختلفة. كلما زاد عمق الحفرة ، كان مسار درجات الحرارة أكثر سلاسة. بالنسبة لخطوط العرض الوسطى ، على عمق 1.5 متر ، فإن التقلبات الموسمية في درجات الحرارة غير محسوسة.
يستخدم سلوك المجموعة أيضًا للتنظيم الحراري. لذلك ، تتجمع طيور البطريق معًا ، متشبثة بإحكام ببعضها البعض. داخل الكومة ، تكون درجة الحرارة قريبة من درجة حرارة جسم طيور البطريق (+37 درجة مئوية) حتى في أقسى الصقيع. تفعل الإبل نفس الشيء - في وسط المجموعة تكون درجة الحرارة حوالي +39 درجة مئوية ، ويمكن تسخين فراء الحيوانات الخارجية حتى +70 درجة مئوية.
السبات استراتيجية خاصة
حالة Torpid (الذهول) أو السبات هي استراتيجيات خاصة للحيوانات ذوات الدم الحار تسمح باستخدام التغييرات في درجة حرارة الجسم لأغراض التكيف. في هذه الحالة ، تتوقف الحيوانات عن الحفاظ على درجة حرارة الجسم وتقليلها إلى الصفر تقريبًا. يتميز السبات بانخفاض معدل التمثيل الغذائي واستهلاك الموارد المتراكمة. هذه حالة فسيولوجية منظمة جيدًا ، عندما تتحول آليات التنظيم الحراري إلى مستوى أقل - ينخفض معدل ضربات القلب (على سبيل المثال ، في الزغبة من 450 إلى 35 نبضة في الدقيقة) ، ينخفض استهلاك الأكسجين بمقدار 20-100 مرة.
تتطلب الاستيقاظ طاقة وتحدث عن طريق الدفء الذاتي الذي لا يجب الخلط بينه وبين ذهول الحيوانات ذوات الدم البارد ، حيث ينتج عن انخفاض درجة الحرارة المحيطة وهي حالة لا ينظمها الجسم نفسه (الاستيقاظ) يحدث تحت تأثير عوامل خارجية).
الذهول هو أيضًا حالة منظمة ، لكن درجة حرارة الجسم تنخفض ببضع درجات فقط وغالبًا ما تصاحب إيقاعات الساعة البيولوجية. على سبيل المثال ، تصبح الطيور الطنانة مخدرة في الليل عندما تنخفض درجة حرارة أجسامها من 40 درجة مئوية إلى 18 درجة مئوية. توجد انتقالات عديدة بين السبات والسبات. لذلك ، على الرغم من أننا نسمي نوم الدببة في السبات الشتوي ، في الواقع ، فإن التمثيل الغذائي لديهم ينخفض قليلاً ، وتنخفض درجة حرارة أجسامهم بمقدار 3-6 درجات مئوية فقط. في هذه الحالة تلد الدب الأشبال.
لماذا يوجد عدد قليل من الكائنات المتجانسة الحرارة في البيئة المائية
من بين الكائنات الحية المائية (الكائنات الحية التي تعيش في البيئة المائية) هناك عدد قليل من ممثلي الحيوانات ذوات الدم الحار. تعتبر الحيتان والدلافين وفقمات الفراء حيوانات مائية ثانوية عادت إلى البيئة المائية من الأرض. يرتبط نزيف الدم الدافئ في المقام الأول بزيادة عمليات التمثيل الغذائي ، والتي أساسها تفاعلات الأكسدة. ويلعب الأكسجين دورًا رئيسيًا هنا. وكما تعلم ، فيفي البيئة المائية ، لا يزيد محتوى الأكسجين عن 1٪ من حيث الحجم. انتشار الأكسجين في الماء أقل بآلاف المرات منه في الهواء ، مما يجعله أقل توفرًا. بالإضافة إلى ذلك ، مع زيادة درجة الحرارة وإثراء الماء بالمركبات العضوية ، ينخفض محتوى الأكسجين. كل هذا يجعل وجود عدد كبير من الكائنات ذوات الدم الحار في البيئة المائية أمرًا غير مواتٍ بقوة
إيجابيات وسلبيات
الميزة الرئيسية للحيوانات ذوات الدم الحار على الحيوانات ذوات الدم البارد هي استعدادها للتصرف بغض النظر عن درجة الحرارة المحيطة. هذه فرصة لتحمل درجات حرارة الليل قريبة من التجمد ، وتطوير المناطق الشمالية من الأرض.
العيب الرئيسي للدم الحار هو الاستهلاك العالي للطاقة للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم. والمصدر الرئيسي لذلك هو الطعام. يحتاج الأسد من ذوات الدم الحار إلى طعام أكثر بعشر مرات مما يحتاجه التمساح بدم بارد من نفس الوزن.
