Температурный режим

Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в какой-либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Поэтому границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до 50°С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы.

Колебания температуры на земном шаре достаточно велики. В пустынях Африки и Австралии температура нередко превышает 50-60°С. Самая низкая температура на Земле достигает - 70-80°С. Эти крайне низкие и крайне высокие температуры неприемлемы для жизни подавляющего большинства организмов.

Температура является важнейшим фактором, в зависимости от которого происходит в процессе эволюции отбор организмов, приспособление их к различным температурным условиям. В ходе эволюции выработались механизмы, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Источником теплообразования в клетках являются в основном два химических процесса: окислительные реакции и расщепление АТФ. Часть энергии, высвобождающейся при этих процессах, рассеивается в виде тепла. Это тепло может служить существенным источником повышения температуры тела организма.

Большинство видов не обладает достаточно высоким уровнем обмена веществ и не имеют механизмов, позволяющих удерживать образующееся тепло. Их жизнедеятельность и активность зависят, прежде всего, от тепла, поступающего извне, а температура тела - от внешних температур. Такие животные называются холоднокровными (пойкилотермными). К ним относятся беспозвоночные и часть позвоночных животных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). У лягушек зимой температура тела близка к 0°С. В это время она способна совершать прыжки длиной 10-15 см. Летом при температуре 20-25°С она прыгает на 100 см и более. У ряда холоднокровных животных температура тела изменяется при двигательной активности. Так, у летающих насекомых во время полета температура тела повышается на 10°С и более.

Теплокровные (гомойотермные) животные способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.

Однако подобное приспособление носит ограниченный характер, так как при значительных температурных колебаниях среды механизмы сохранения постоянной температуры тела оказываются недостаточными.

И у теплокровных, и у холоднокровных животных в процессе эволюции выработались механизмы адаптации к изменениям температуры:

Физическая регуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток. Физическая терморегуляция осуществляется благодаря особым анатомическим и морфологическим чертам строения животных: волосяному и перьевому покрову, деталям устройства кровеносной системы, распределению жировых запасов, возможностям испарительной теплоотдачи и т. п.

Химическая регуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды.

Поведение организмов. Перемещаясь в пространстве или изменяя свое поведение более сложным образом, животные могут активно избегать крайних температурных воздействий.

Холоднокровные животные отличаются более низким уровнем обмена веществ по сравнению с теплокровными даже при одной и той же температуре тела. Так, пустынная игуана потребляет при температуре тела 37°С в 7 раз меньше кислорода, чем теплокровные грызуны таких же размеров. Из-за этого возможности химической терморегуляции у холоднокровных животных ничтожны. Также слабо развиты и возможности физической терморегуляции. В связи с этим холоднокровным животным особенно тяжело противостоять недостатку тепла. С понижением температуры среды все процессы жизнедеятельности сильно замедляются, и животные впадают в оцепенение (анабиоз). В таком неактивном состоянии они становятся холодоустойчивыми. Основные способы регуляции температуры тела у холоднокровных животных - поведенческие - перемена позы, активный поиск благоприятных микроклиматических условий, специализированные формы поведения, направленные на создание и поддержание нужного микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд).

У теплокровных животных механизмы терморегуляции множественны и многообразны, что позволяет им поддерживать постоянную оптимальную температуру тела во все времена года. В противоположность холоднокровным, при действии холода у теплокровных животных окислительные процессы не ослабевают, а усиливаются, особенно в скелетных мышцах. Усиливается и обмен липидов, так как нейтральные жиры содержат основной запас химической энергии. Млекопитающие также обладают специализированной бурой жировой тканью (наиболее развита у животных холодных зон), при распаде которой, вся высвобождающаяся энергия рассеивается в виде тепла, т. е. обогревает организм. Естественно, что указанные механизмы терморегуляции требуют поступления в организм большого количества пищи. Для большинства активно зимующих теплокровных, страшны не морозы, а бескормица. При недостатке корма зимой химический тип терморегуляции невыгоден.

Физический тип терморегуляции экологически более выгоден, так как осуществляется не за счет дополнительной выработки тепла, а за счет его сохранения. К нему относят рефлекторное сужение и расширение кровеносных сосудов кожи, меняющие ее теплопроводность и температуру поверхности тела, изменение теплоизолирующих свойств меха и перьев, регуляцию испарительной теплоотдачи и т. п. Большое значение для поддержания температурного баланса имеет отношение поверхности тела к его объему, т. к. масштабы продуцирования тепла зависят от массы животного, а теплообмен идет через его покровы. Выступающие части тела имеют большую относительную поверхность, которая выгодна в условиях жаркого климата. При адаптации к холоду проявляется закон экономии поверхности, так как компактная форма тела с минимальным отношением площади к объему наиболее выгодна для сохранения тепла.

Поведенческие формы регуляции теплообмена важны как для теплокровных, так и для холоднокровных и также разнообразны – от изменения позы, поиска и сооружения укрытий до групповых действий: ближних и дальних миграций.