Правило Бергманна об увеличении тела животных с непостоянной температурой тела при удалении от полюсов. Причины и исключения (приведите примеры).
Влияние теплового режима прослеживается и у животных. По мере удаления от полюсов к экватору размеры близких в систематическом отношении животных с непостоянной температурой тела увеличиваются, а с постоянной – уменьшаются. Это положение отражает правило Бергмана. Одна из причин такого явления – повышение температуры в тропиках и субтропиках. Чем больше размер, тем меньше удельная поверхность и тем меньше через поверхность теряется тепла, то есть увеличение размеров позволяет уменьшить потери тепла с поверхности тела в холодном климате
Эндотермные животные, обитающие в холодных областях (полярные медведи, киты и др.), имеют, как правило, крупные размеры, тогда как обитатели жарких стран (например, многие насекомоядные млекопитающие) обычно меньше по размерам. Это явление носит название правила Бергмана. Например, амурская форма тигра крупнее суматранской из Индонезии. Северные подвиды волка в среднем крупнее южных. Наиболее крупные виды рода медведь обитают в северных широтах (белый медведь, бурые медведи), а наиболее мелкие виды (например, очковый медведь) — в районах с теплым климатом. Однако из этого правила много исключений, т. к. на размеры млекопитающих влияет, помимо температуры, и множество других факторов. Исключения часто встречаются в случаях, когда сравниваемые виды сильно отличаются по образу жизни. Таким образом, данное правило не является абсолютным.
Мы, конечно же, можем рассмотреть довольно маленьких грызунов, обитающих в суровых северных регионах, и несомненных гигантов слонов и бегемотов - на просторах Африки. Эти животные «избрали» другие пути адаптации к среде (изменение биохимии, внутренних органов и т.д.), нежели размеры тела.
Правило Аллена об уменьшении площади выступающих частей тела у животных с постоянной температурой тела в холодных зонах. Причины, исключения (приведите примеры).
Близкородственные (близкие виды одного рода или подвиды одного вида) теплокровные животные, обитающие в областях с более низкими преобладающими температурами, обладают, как правило, меньшими размерами выступающих частей тела (уши, лапы, хвост), чем их собратья, живущие в теплых областях. Так же, как и правило Бергмана, правило Аллена объясняется тем, что увеличение удельной поверхности более выгодно в регионах с теплым климатом, т. к. при этом выше теплоотдача, а уменьшение удельной поверхности выгодно в холодном климате, т. к. теплоотдача ниже. При одинаковых линейных размерах удельная поверхность больше у того животного, у которого выступающие части больше. Пример — обыкновенная лисица и пустынная лисица-фенек. Заяц-беляк и Американский заяц
Например, длина клюва птиц в большей степени связана с характером питания нежели с потерей тепла организмом.
Химическая и физическая теплорегуляция. Температурный оптимум и пессимум. Правило Вант-Тоффа (скорость химических реакций увеличивается в 2-3 раза при увеличении температуры на каждые 10оС – приведите примеры).
Особенно совершенны механизмы терморегуляции у гомойотермных животных. Температура тела зависит от двух факторов: интенсивности образования тепла (теплопродукции) и величины потерь тепла (теплоотдачи). Главным условием поддержания постоянной температуры тела гомойотермных животных, в том числе и человека, является достижение устойчивого баланса теплопродукции и теплоотдачи. Они способны к химической и физической терморегуляции.
Химическая терморегуляция — способность регулировать теплопродукцию за счет изменений обмена. Этот вид регуляции температуры осуществляется за счет изменения уровня обмена веществ, что ведет к повышению или понижению образования тепла в организм У млекопитающих есть спец. ткань, «ответственная» за теплопродукцию, — бурый жир. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании не синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла.
Физическая терморегуляция — способность регулировать теплоотдачу. В ней участвуют изменения морфологии, поведение и физиологические реакции. Например, зимой у птиц увеличивается масса перьев. Многие животные к зиме накапливают жир, и подкожный жировой слой обеспечивает теплоизоляцию. В выступающих или поверхностных частях тела у ряда животных (например, в ластах китов, в лапах некоторых птиц) есть замечательное приспособление — «чудесная сеть». Это сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты к артериям. Текущая по артериям кровь отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь поступает в конечности охлажденной. При этом конечности, по существу, пойкилотермны, зато температуру остального тела можно поддерживать с меньшими затратами энергии. Чтобы снизить температуру, животные используют испарение жидкости с поверхности тела. У человека для этого служит потоотделение, у собак и многих птиц — учащенное дыхание; некоторые сумчатые в жару обмазывают шкуру обильной слюной. Теплоотдача осуществляется след. путями:• излучением (радиацией);• проведением (кондукцией);• конвекцией;• испарением.
Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект — пессимумом, т. е. условия, при которых жизнедеятельность организма максимально угнетается, но он еще может существовать. Так, при выращивании растений при различных температурах точка, при которой наблюдается максимальный рост, и будет оптимумом. В большинстве случаев это некий диапазон температур, составляющий несколько градусов, поэтому лучше здесь говорить о зоне оптимума. Весь интервал температур, от минимальной до максимальной, при которых еще возможен рост, называют диапазоном устойчивости (выносливости) или толерантности. Точки, ограничивающие его, т. е. максимальная и минимальная, пригодные для жизни температуры, — это пределы устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости по мере приближения к последним растение испытывает все нарастающий стресс, т. е. речь идет о стрессовых зонах или зонах угнетения в рамках диапазона устойчивости (рис. 3.1). По мере удаления от оптимума вниз и вверх по шкале не только усиливается стресс, а в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибел
Оптимальные условия те, при которых все физиологические процессы в организме или экосистемах идут с максимальной эффективностью. Для большинства видов температурный оптимум находится в пределах 20-25°С, несколько сдвигаясь в ту или другую стороны: в сухих тропиках он выше – 25-28°С, в умеренных и холодных зонах ниже – 10-20°С. В ходе эволюции, приспосабливаясь не только к периодическим изменениям температуры, но и к разным по теплообеспеченности районам, растения и животные выработали в себе различную потребность к теплу в разные периоды жизни. У каждого вида свой оптимальный диапазон температур, причем и для разных процессов (роста, цветения, плодоношения и др.) имеются тоже «свои» значения оптимумов. Температуры, «лежащие» между летальными и оптимальными относятся к пессимальным. В зоне пессимумов все жизненные процессы идут очень слабо и очень медленно.
Температуры, при которых происходят активные физиологические процессы, называются эффективными, значения их не выходят за пределы летальных температур.
Для большинства реакций справедливо эмпирическое правило Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в 2—4 раза. Эта величина называется температурным коэффициентом реакции или коэффициентом Вант- Гоффа и обозначается у:
Коэффициент Вант-Гоффа позволяет легко рассчитать, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры
Правило Гоффа, повышение температуры ведет к пропорциональному возрастанию скорости реакции. Разница заключается в том, что в живом организме химические процессы всегда идут с участием сложных ферментных систем, активность которых в свою очередь зависит от температуры. В результате ферментативного катализа возрастает скорость биохимических реакций и количественно меняется ее зависимость от внешней температуры. В одном и том же организме величина температурного ускорения биохимических реакций неодинакова для различных процессов. Эта закономерность нередко определяет пределы температурной устойчивости организма в целом.
Объективная зависимость скорости реакций от температуры уже исходно определяет, что жизненные функции могут протекать лишь в определенном интервале температур. Имеется ряд дополнительных обстоятельств, определяющих температурные пороги, выше и ниже которых жизнь невозможна. Видовая специфика ферментных систем приводит к тому, что эти пороги неодинаковы для разных видов живых организмов. Верхний температурный порог жизни теоретически определяется температурой свертывания белков. Необратимые нарушения структуры белков обычно возникают при температуре порядка 60°С. Именно таков порог «тепловой смерти» у ряда простейших и некоторых низших многоклеточных организмов. Обезвоживание организма повышает этот порог, а соответственно и термоустойчивость организма. Именно на этом основана высокая термоустойчивость цист, спор, семян, да и некоторых мелких организмов в обезвоженном состоянии.
Нарушения метаболических и регуляторных процессов наступают и при очень низких температурах. Дисгармония функции в целом организме определяется, как и при гипертермии, разной величиной коэффициента температурных ускорений отдельных реакций. Например, нарушения деятельности сердца при слабом охлаждении проявляются в ритме сокращений и сократимости сердечной мышцы, а при более сильном — в ее проводимости и возбудимости.