Die Vielf alt des Lebens auf unserem Planeten ist in ihrem Ausmaß beeindruckend. Jüngste Studien von kanadischen Wissenschaftlern geben eine Zahl von 8,7 Millionen Arten von Tieren, Pflanzen, Pilzen und Mikroorganismen an, die unseren Planeten bewohnen. Außerdem sind nur etwa 20% von ihnen beschrieben, und das sind 1,5 Millionen uns bekannte Arten. Lebende Organismen haben alle ökologischen Nischen auf dem Planeten besiedelt. Es gibt keinen Ort innerhalb der Biosphäre, an dem es kein Leben gäbe. In den Schloten von Vulkanen und auf dem Gipfel des Everest – überall finden wir Leben in seinen vielfältigen Erscheinungsformen. Und zweifellos verdankt die Natur eine solche Vielf alt und Verbreitung dem Auftreten des Phänomens der Warmblüter (homöotherme Organismen) im Verlauf der Evolution.
Die Grenze des Lebens ist die Temperatur
Die Grundlage des Lebens ist der Stoffwechsel des Körpers, der von der Geschwindigkeit und Art chemischer Prozesse abhängt. SONDERNDiese chemischen Reaktionen sind nur in einem bestimmten Temperaturbereich mit eigenen Indikatoren und Expositionsdauer möglich. Für eine größere Anzahl von Organismen gelten als Grenzindikatoren für das Temperaturregime der Umgebung 0 bis +50 Grad Celsius.
Aber das ist eine spekulative Schlussfolgerung. Es wäre genauer zu sagen, dass die Temperaturgrenzen des Lebens diejenigen sind, bei denen es zu keiner Denaturierung von Proteinen kommt, sowie zu irreversiblen Veränderungen der kolloidalen Eigenschaften des Zytoplasmas von Zellen, einer Verletzung der Aktivität lebenswichtiger Enzyme. Und viele Organismen haben hochspezialisierte enzymatische Systeme entwickelt, die es ihnen ermöglicht haben, unter Bedingungen zu leben, die weit über diese Grenzen hinausgehen.
Umweltklassifizierung
Die Grenzen der optimalen Lebenstemperaturen bestimmen die Unterteilung der Lebensformen auf dem Planeten in zwei Gruppen - Kryophile und Thermophile. Die erste Gruppe bevorzugt lebenslang Kälte und ist auf das Leben unter solchen Bedingungen spezialisiert. Mehr als 80 % der Biosphäre des Planeten sind k alte Regionen mit einer Durchschnittstemperatur von +5 °C. Dies sind die Tiefen der Ozeane, die Wüsten der Arktis und Antarktis, die Tundra und das Hochland. Erhöhte Kälteresistenz wird durch biochemische Anpassungen erreicht.
Das enzymatische System der Kryophilen senkt effektiv die Aktivierungsenergie biologischer Moleküle und hält den Stoffwechsel in der Zelle bei einer Temperatur nahe 0 °C aufrecht. Gleichzeitig gehen Anpassungen in zwei Richtungen - beim Erwerb von Widerstand (Widerstand) oder Toleranz (Widerstand) gegenüber Kälte. Die ökologische Gruppe der Thermophilen sind Organismen, die optimal für sindderen Leben Gebiete mit hohen Temperaturen sind. Ihre Lebensaktivität wird auch durch die Spezialisierung auf biochemische Anpassungen bereitgestellt. Es ist erwähnenswert, dass mit der Komplikation der Organisation des Körpers seine Fähigkeit zur Thermophilie abnimmt.
Körpertemperatur
Die Wärmebilanz eines lebenden Systems ist die Gesamtheit seiner Zu- und Abflüsse. Die Körpertemperatur von Organismen ist abhängig von der Umgebungstemperatur (exogene Wärme). Ein obligatorisches Attribut des Lebens ist außerdem die endogene Wärme - ein Produkt des inneren Stoffwechsels (oxidative Prozesse und der Abbau von Adenosintriphosphorsäure). Die Lebenstätigkeit der meisten Arten auf unserem Planeten hängt von exogener Wärme ab, und ihre Körpertemperatur hängt vom Verlauf der Umgebungstemperatur ab. Dies sind poikilothermische Organismen (poikilos - verschiedene), bei denen die Körpertemperatur variabel ist.
Poikilothermen sind alle Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Wirbellose und die meisten Chordaten. Und nur zwei Gruppen von Wirbeltieren - Vögel und Säugetiere - sind homoiotherme Organismen (homoios - ähnlich). Sie h alten unabhängig von der Umgebungstemperatur eine konstante Körpertemperatur aufrecht. Sie werden auch Warmblüter genannt. Ihr Hauptunterschied ist das Vorhandensein eines starken inneren Wärmeflusses und eines Systems thermoregulatorischer Mechanismen. Dadurch laufen in homoiothermischen Organismen alle physiologischen Prozesse bei optimalen und konstanten Temperaturen ab.
Wahr und Falsch
Einige PoikilothermenOrganismen wie Fische und Stachelhäuter haben ebenfalls eine konstante Körpertemperatur. Sie leben unter Bedingungen konstanter Außentemperaturen (Tiefen des Ozeans oder Höhlen), bei denen sich die Umgebungstemperatur nicht ändert. Sie werden als fälschlicherweise homoiotherme Organismen bezeichnet. Viele Tiere, die Winterschlaf oder vorübergehende Erstarrung erleben, haben schwankende Körpertemperaturen. Diese wirklich homoiothermen Organismen (Beispiele: Murmeltiere, Fledermäuse, Igel, Mauersegler und andere) werden heterothermal genannt.
Liebe Aromorphose
Das Auftreten der Homoiothermie bei Lebewesen ist eine sehr energieaufwändige evolutionäre Aneignung. Über den Ursprung dieser fortschreitenden Strukturveränderung, die zu einer Erhöhung des Organisationsgrades führte, streiten sich Wissenschaftler noch heute. Viele Theorien wurden für den Ursprung warmblütiger Organismen vorgeschlagen. Einige Forscher geben zu, dass sogar Dinosaurier diese Funktion haben könnten. Aber bei allen Meinungsverschiedenheiten der Wissenschaftler ist eines sicher: Das Auftreten homoothermischer Organismen ist ein bioenergetisches Phänomen. Und die Komplikation von Lebensformen ist mit der funktionellen Verbesserung von Wärmeübertragungsmechanismen verbunden.
Temperaturkompensation
Die Fähigkeit einiger poikilothermischer Organismen, ein konstantes Niveau von Stoffwechselprozessen in einem weiten Bereich von Änderungen der Körpertemperatur aufrechtzuerh alten, wird durch biochemische Anpassungen bereitgestellt und wird als Temperaturkompensation bezeichnet. Es basiert auf der Fähigkeit einiger Enzyme, ihre Konfiguration mit abnehmender Temperatur zu ändern und ihre Affinität zum Substrat zu erhöhen, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird. Zum Beispiel in zweischaligen MuschelnIn der Barentssee hängt der Sauerstoffverbrauch nicht von den Umgebungstemperaturen ab, die zwischen 25 °C (+5 und +30 °C) liegen.
Zwischenformen
Evolutionsbiologen haben die gleichen Vertreter von Übergangsformen von wechselwarmen zu warmblütigen Säugetieren gefunden. Kanadische Biologen der Brock University haben beim argentinischen Schwarz-Weiß-Tegu (Alvator merianae) saisonale Warmblüter entdeckt. Diese fast metergroße Eidechse lebt in Südamerika. Wie die meisten Reptilien sonnt sich der Tegu tagsüber in der Sonne und versteckt sich nachts in Höhlen und Höhlen, wo es abkühlt. Aber während der Brutzeit von September bis Oktober steigen die Temperatur des Tegu, die Atemfrequenz und der Rhythmus der Herzkontraktionen am Morgen stark an. Die Körpertemperatur einer Eidechse kann die Temperatur in einer Höhle um zehn Grad übersteigen. Dies beweist den Formenübergang von K altblütern zu homoiothermen Tieren.
Mechanismen der Thermoregulation
Homoiothermische Organismen arbeiten immer daran, den Betrieb der Hauptsysteme - Kreislauf, Atmung, Ausscheidung - sicherzustellen, indem sie ein Minimum an Wärmeproduktion erzeugen. Dieses im Ruhezustand produzierte Minimum wird als Grundumsatz bezeichnet. Der Übergang in den aktiven Zustand bei warmblütigen Tieren erhöht die Wärmeproduktion, und sie benötigen Mechanismen zur Erhöhung der Wärmeübertragung, um eine Proteindenaturierung zu verhindern.
Der Prozess des Erreichens eines Gleichgewichts zwischen diesen Prozessen wird durch chemische und physikalische Thermoregulation bereitgestellt. Diese Mechanismen bieten Schutz von homoiothermischen Organismen vor niedrigen Temperaturen undÜberhitzung. Die Mechanismen zur Aufrechterh altung einer konstanten Körpertemperatur (chemische und physikalische Thermoregulation) haben unterschiedliche Quellen und sind sehr vielfältig.
Chemische Thermoregulation
Als Reaktion auf eine Abnahme der Umgebungstemperatur erhöhen warmblütige Tiere reflexartig die Produktion von körpereigener Wärme. Dies wird durch die Steigerung oxidativer Prozesse, insbesondere im Muskelgewebe, erreicht. Unkoordinierte Muskelkontraktion (Zittern) und thermoregulatorischer Tonus sind die ersten Stadien der Steigerung der Wärmeproduktion. Gleichzeitig steigt der Fettstoffwechsel und das Fettgewebe wird zum Schlüssel für eine bessere Thermoregulation. Säugetiere in einem k alten Klima haben sogar braunes Fett, dessen gesamte Oxidationswärme den Körper erwärmt. Dieser Energieverbrauch erfordert, dass das Tier entweder eine große Menge an Nahrung zu sich nimmt oder beträchtliche Fettreserven hat. Ohne diese Ressourcen stößt die chemische Thermoregulation an ihre Grenzen.
Mechanismen der physikalischen Thermoregulation
Diese Art der Temperierung erfordert keine zusätzlichen Kosten für die Wärmeerzeugung, sondern erfolgt durch Erh alt der körpereigenen Wärme. Sie erfolgt durch Verdunstung (Schwitzen), Strahlung (Strahlung), Wärmeleitung (Konduktion) und Konvektion der Haut. Methoden der physikalischen Thermoregulation haben sich im Laufe der Evolution entwickelt und werden beim Studium der phylogenetischen Reihe von Insektenfressern über Fledermäuse bis hin zu Säugetieren immer perfekter.
Ein Beispiel für eine solche Regulation ist die Verengung oder Erweiterung der Blutkapillaren der Haut, die sich verändernWärmeleitfähigkeit, wärmeisolierende Eigenschaften von Fell und Federn, Gegenstromwärmeaustausch von Blut zwischen oberflächlichen Gefäßen und Gefäßen innerer Organe. Die Wärmeableitung wird durch die Neigung der Fellhaare und Federn reguliert, zwischen denen ein Luftsp alt aufrechterh alten wird.
Bei Meeressäugern verteilt sich subkutanes Fett im ganzen Körper und schützt so die Endo-Hitze. Bei Robben beispielsweise erreicht ein solcher Fettsack bis zu 50 % des Gesamtgewichts. Deshalb schmilzt der Schnee unter den Robben, die stundenlang auf dem Eis liegen, nicht. Für Tiere, die in heißen Klimazonen leben, wäre eine gleichmäßige Verteilung des Körperfetts über die gesamte Körperoberfläche fatal. Daher sammelt sich ihr Fett nur an bestimmten Stellen des Körpers an (der Buckel eines Kamels, der fette Schwanz eines Schafs), was die Verdunstung von der gesamten Körperoberfläche nicht verhindert. Außerdem haben Tiere des nördlichen k alten Klimas ein spezielles Fettgewebe (braunes Fett), das vollständig zur Körpererwärmung genutzt wird.
Mehr südlich - größere Ohren und längere Beine
Verschiedene Körperteile sind in Bezug auf die Wärmeübertragung bei weitem nicht gleichwertig. Um die Wärmeübertragung aufrechtzuerh alten, ist das Verhältnis der Körperoberfläche zu ihrem Volumen wichtig, da das Volumen der inneren Wärme von der Masse des Körpers abhängt und die Wärmeübertragung durch die Hautschichten erfolgt. Die hervorstehenden Körperteile haben eine große Oberfläche, was gut für heiße Klimazonen ist, in denen Warmblüter viel Wärmeübertragung benötigen. Zum Beispiel sind große Ohren mit vielen Blutgefäßen, langen Gliedmaßen und einem Schwanz typisch für Bewohner eines heißen Klimas (Elefant, Fennek, AfrikanerLangohr-Springmaus). Bei Kälte folgt die Anpassung dem Weg der Flächenersparnis (Ohren und Schwanz der Robben).
Für warmblütige Tiere gilt ein anderes Gesetz - je weiter nördlich Vertreter einer phylogenetischen Gruppe leben, desto größer sind sie. Und das hängt auch mit dem Verhältnis des Volumens der Verdunstungsfläche und dementsprechend des Wärmeverlusts und der Masse des Tieres zusammen.
Ethologie und Wärmeübertragung
Verh altensmerkmale spielen auch bei Wärmeübertragungsprozessen eine wichtige Rolle, sowohl bei poikilothermen als auch bei homöothermen Tieren. Dazu gehören H altungsänderungen, der Bau von Unterkünften und verschiedene Wanderungen. Je größer die Tiefe des Lochs, desto glatter verläuft der Temperaturverlauf. Für mittlere Breiten, in einer Tiefe von 1,5 Metern, sind saisonale Temperaturschwankungen nicht wahrnehmbar.
Gruppenverh alten wird auch zur Thermoregulation genutzt. Also drängen sich die Pinguine zusammen und klammern sich fest aneinander. Im Inneren des Haufens liegt die Temperatur selbst bei stärksten Frösten nahe der Körpertemperatur von Pinguinen (+37 ° C). Kamele tun dasselbe - in der Mitte der Gruppe beträgt die Temperatur etwa +39 °C, und das Fell der äußersten Tiere kann bis zu +70 °C erhitzt werden.
Winterschlaf ist eine besondere Strategie
Schlafzustand (Stupor) oder Winterschlaf sind spezielle Strategien warmblütiger Tiere, die es ermöglichen, Änderungen der Körpertemperatur für Anpassungszwecke zu nutzen. In diesem Zustand hören die Tiere auf, die Körpertemperatur aufrechtzuerh alten und reduzieren sie auf fast Null. Der Winterschlaf ist durch eine Abnahme der Stoffwechselrate und gekennzeichnetVerbrauch angesammelter Ressourcen. Dies ist ein gut regulierter physiologischer Zustand, wenn Thermoregulationsmechanismen auf ein niedrigeres Niveau umsch alten - die Herzfrequenz sinkt (z. B. bei einem Siebenschläfer von 450 auf 35 Schläge pro Minute), der Sauerstoffverbrauch sinkt um das 20- bis 100-fache.
Erwachen erfordert Energie und erfolgt durch Selbsterwärmung, die nicht mit der Benommenheit k altblütiger Tiere verwechselt werden sollte, wo es durch eine Abnahme der Umgebungstemperatur verursacht wird und ein vom Körper selbst nicht regulierter Zustand ist (Erwachen tritt unter dem Einfluss äußerer Faktoren auf).
Stupor ist ebenfalls ein geregelter Zustand, allerdings sinkt die Körpertemperatur nur um wenige Grad und geht oft mit zirkadianen Rhythmen einher. Beispielsweise werden Kolibris nachts taub, wenn ihre Körpertemperatur von 40 °C auf 18 °C sinkt. Es gibt viele Übergänge zwischen Erstarrung und Winterschlaf. Obwohl wir den Schlaf der Bären im Winterschlaf nennen, nimmt ihr Stoffwechsel tatsächlich leicht ab und ihre Körpertemperatur sinkt nur um 3-6 ° C. In diesem Zustand bringt die Bärin Junge zur Welt.
Warum gibt es nur wenige homoothermische Organismen in der aquatischen Umwelt
Unter den Hydrobionten (Wasserlebewesen) gibt es nur wenige Vertreter warmblütiger Tiere. Wale, Delfine, Pelzrobben sind sekundäre Wassertiere, die vom Land in die aquatische Umwelt zurückgekehrt sind. Warmblütigkeit ist in erster Linie mit einer Zunahme von Stoffwechselprozessen verbunden, deren Grundlage Oxidationsreaktionen sind. Und Sauerstoff spielt hier eine große Rolle. Und wie Sie wissen, hineinin der aquatischen Umwelt beträgt der Sauerstoffgeh alt nicht mehr als 1 Vol.-%. Die Diffusion von Sauerstoff in Wasser ist tausendmal geringer als in Luft, wodurch er noch weniger verfügbar ist. Außerdem nimmt mit steigender Temperatur und Anreicherung des Wassers mit organischen Verbindungen der Sauerstoffgeh alt ab. All dies macht die Existenz einer großen Anzahl warmblütiger Organismen in der aquatischen Umwelt energetisch ungünstig.
Vor- und Nachteile
Der Hauptvorteil von Warmblütern gegenüber K altblütern ist ihre Handlungsbereitschaft unabhängig von der Umgebungstemperatur. Dies ist eine Gelegenheit, Nachttemperaturen nahe dem Gefrierpunkt und der Entwicklung der nördlichen Gebiete des Landes standzuh alten.
Der Hauptnachteil von Warmblütern ist der hohe Energieverbrauch, um eine konstante Körpertemperatur aufrechtzuerh alten. Und die Hauptquelle dafür ist Nahrung. Ein warmblütiger Löwe benötigt zehnmal mehr Nahrung als ein gleich schweres k altblütiges Krokodil.
