Vsi živi organizmi so prilagojeni svojim življenjskim prostorom: močvirne rastline - na močvirja, puščavske rastline - na puščave itd. Živali so prilagojene določeni naravi prehrane, zaščiti pred sovražniki. Adaptacija (iz latinske besede adaptatio - prilagajanje, prilagajanje) je proces, pa tudi rezultat prilagajanja strukture in funkcij organizmov ter njihovih pogojev. Splošna prilagodljivost živih organizmov na pogoje obstoja je sestavljena iz številnih individualnih prilagoditev zelo različnih lestvic.
Sušne rastline imajo različne prilagoditve za pridobivanje potrebne vlage. To je bodisi močan sistem korenin, ki včasih prodira do globine več deset metrov, ali razvoj dlačic, zmanjšanje števila stomatov na listih, zmanjšanje površine listov, kar lahko dramatično zmanjša izhlapevanje vlage ali končno sposobnost shranjevanja vlage v sočnih delih, kot na primer pri kaktusih in evforbiji.
Vse prilagoditve nastanejo med potekom kot posledica dednih variacij () in njihovih kombinacij. Te se vedno pojavljajo v vseh živih organizmih v ogromnem številu in večina se jih ne pojavi, ampak so skrite v genskem bazenu. pobere dedne različice, ki so se izkazale za koristne v danih pogojih. Korak za korakom, iz generacije v generacijo, s pomočjo prevladujočih osebkov, nosilcev takih koristnih sprememb, postajajo nove lastnosti značilne za vrsto. Tako pride do prilagajanja.
Razvoj organskega sveta poteka po poti nastajanja vedno več novih prilagoditev. Zato pravijo, da je to adaptogeneza. Ch. je dokazal, da vse značilnosti strukture ali podobe, ki so se pojavile v eni od vrst, nujno vodijo do dejstva, da se pri vseh drugih vrstah, povezanih z njo, začnejo razvijati tudi nove prilagoditve na te nove prilagoditve sosednjih vrst. Raznolikost prilagoditev torej nenehno raste, skupna »vsota življenja« se povečuje.
Pri tem so se razvili presenetljivo zapleteni in raznoliki odnosi različnih organizmov. Ugotovljeno je bilo na primer, da je ena rastlinska vrsta v svoji življenjski aktivnosti običajno tesno povezana s povprečno ducatom, včasih pa tudi več deset vrstami nevretenčarjev. Ti nevretenčarji (pogosteje žuželke) oprašujejo rastlino, jo uporabljajo kot hrano itd. Izginotje takšne rastlinske vrste neizogibno vodi v izginotje vseh z njo tesno povezanih živalskih vrst, razen če imajo čas, da se prilagodijo na račun druge rastline. Pogosto se zgodi ravno obratno: rastlina izumre z izginotjem katerekoli živalske vrste, ki bi jo edina lahko opraševala. Tako stroga navezanost na tropske rastline je bila ugotovljena za nekatere vrste mravelj, čmrljev, netopirjev in kolibrijev.
Pri žabi, ko je potopljena v vodo, oči in nosnice štrlijo nad njeno površino. Te naprave omogočajo živalim, da vidijo in dihajo v tem položaju.
Hitrejši, višji, močnejši, bolj neopazni, bolj puhasti – kako evolucija spreminja živali? Ponujamo najbolj nenavadne primere prilagajanja.
Najstarejši predstavniki parkljarjev Severna Amerika, zadnji iz družine pronghornov, ki je nekoč štela 70 vrst, so pronghorni edinstveni sami po sebi. In so tudi srebrni prvaki v teku med živalmi: pospešijo do 67 km / h, po hitrosti pa so le gepardi. Najpomembneje pa je, da imajo pronghorni izjemno razvite mišice, med njimi pa so tudi posebne, ki vam omogočajo spreminjanje kota naklona las glede na kožo. Če je mrzlo, si vilorogi lase položijo vodoravno, če je vroče in se morajo ohladiti, jih razmršijo. Ta prilagodljivi sistem pomaga vilorogom v trenutkih nevarnosti: ko opazi grožnjo, ena od živali, ki stoji na stremenu, razmrši dlako svojega belega "ogledala" - lise okoli repa. Ko opazijo znak čuvaja, si tudi drugi člani črede odlakajo zadnjico in opozorijo ostale. Ta alarmni znak je mogoče videti s prostim očesom več kot 4 km.
Znanstveniki že več kot pol stoletja poskušajo razvozlati skrivnost antarktičnega zobatca (Dissostichus mawsoni) brez ledu, ki živi blizu južnega tečaja. Kri večine rib zmrzne pri -0,9 °C, vendar ta antarktični endemit uspe preživeti pri temperaturah okoli -1,8 °C in nižje. Izkazalo se je, da so se zobate ribe v procesu evolucije naučile proizvajati poseben "protein proti zmrzovanju", ki ne dovoljuje zamrznitve krvi. Kako natančno deluje, so znanstveniki izvedeli pred kratkim, študijo je naročil proizvajalec avtomobilov Volkswagen. S pomočjo teraherčne spektroskopije so znanstveniki z Univerze v Porurju ugotovili, da molekule vode, ki običajno izvajajo "disko ples" v krvi zobatca, tvorijo in prekinjajo kemične vezi, se upočasnijo, ko se pojavi že znani "protein proti zmrzovanju", in to , pa preprečuje nastajanje ledenih kristalov v krvi rib. Proizvajalec avtomobilov upa, da bo to odkritje uporabil za ustvarjanje učinkovitega sredstva proti zmrzovanju za avtomobile.
Vse živali ne bežijo v trenutku nevarnosti. Obstajajo tudi posebni triki: naučili so se pretvarjati, da so mrtvi, tako da jih plenilci vzamejo za mrhovino. Torej, ranjen ali zelo prestrašen oposum lahko spretno posnema smrt. Ne samo pade in nepremično leži - njegove oči so steklene, pena mu teče iz ust, analne žleze pa oddajajo skrivnost z gnusnim vonjem. Po vohanju trupla namišljenega mrtveca plenilci praviloma odidejo. Pravijo, da se je posum tako navadil na podobo, da ostane negiben, tudi če se ga dotaknete z nogo ali ga premaknete na drugo mesto. Šele čez nekaj časa se bo spametoval in pobegnil. Enako nadarjenost za »umiranje« ima prašičja kača iz družine že oblikovanih: ko je ogrožena, se obrne s trebuhom navzgor in zmrzne.
Kamuflaža je nekaj, kar je uspelo mnogim predstavnikom favne. Eni izmed najbolj nadarjenih pretendentov so listne žuželke ali paličaste žuželke: v teku evolucije so se naučile zliti z naravo in dolgo časa ostati nepremične. Zahvaljujoč temu so popolnoma nevidni na ozadju listov in vej. Za svojo neverjetno preobleko so paličaste žuželke dobile drugo ime: duhovi. Največja žuželka na Zemlji je bila razvrščena šele leta 2008: to je Chanova mega palica, ki z iztegnjenimi okončinami doseže dolžino 35,7 cm. Tega "duha" lahko najdete v Maleziji, v državi Sabah.
Zaradi življenja v sušnih afriških savanah in prehranjevanja s trnastim grmovjem so antilopi gerenuk zrasli dolg vrat in noge, zato je dobila ime "žirafa gazela", čeprav z žirafami nima nobene zveze. Celotna zgradba te graciozne živali govori o načinu prehranjevanja: trd jezik in neobčutljive podolgovate ustnice ji omogočajo oprijemanje trnastih vej, podolgovate okončine, tanek tanek vrat in gibljiv femoralni sklep z vrtljivim sklepom omogočata stati. na zadnjih nogah in sega v veje na veliki višini. Noge žirafe gazele so tako tanke, da se v nesreči zlahka zlomijo.
Čopasti jelen, ki živi na jugu Kitajske, je ugotovil, kako nadomestiti majhno rogovje, ki je zaradi grebena popolnoma nevidno. Arzenal orožja, ki se uporablja v bitki, so dopolnili s tekmovalnimi samci z dolgimi zobmi - ti izrastki, dolgi do 2,5 cm, štrlijo iz ust, zato so živali prejele vzdevek "sabljasti". Kitajski čokati jeleni imajo še druge zanimive lastnosti: vznemirjene živali lajajo in ko začutijo resnično grožnjo, obvestijo druge sorodnike z visoko dvignjenim belim repom.
kolektivno orožje
Azijske mravlje vrste Polyrhachis bihamata so si na glavi vzgojile ostre kljuke, s katerimi odganjajo plenilce: takoj ko se žival dotakne žuželke, ji prebode kožo. Mravlje živijo skupaj v hlodih dreves in se, če težave ogrožajo celotno kolonijo, povežejo med seboj in tvorijo eno samo gmoto, ki že s svojim videzom prestraši živali. Običajno se plenilci izognejo pobiranju tisoč mravelj, oboroženih s kavlji hkrati, in jih ne zgrabijo eno za drugo.
Temperaturne prilagoditve rastlin in živali
Funkcionalna aktivnost živih bioloških sistemov je bistveno odvisna od temperaturne ravni okolju. Najprej to velja za organizme, ki niso sposobni vzdrževati stalne telesne temperature (vse rastline in številne živali). Pri takšnih organizmih (poikilotermi) zvišanje temperature do določene meje bistveno pospeši fiziološke procese: hitrost rasti in razvoja (pri žuželkah, plazilcih), kalitev semen, rast listov in poganjkov, cvetenje itd.
Prekomerno zvišanje temperature povzroči smrt organizmov zaradi toplotne denaturacije beljakovinskih molekul, nepovratnih sprememb v strukturi bioloških koloidov celice, motenj encimske aktivnosti, močnega povečanja hidrolitskih procesov, dihanja itd. Po drugi strani , lahko opazno znižanje temperature pod 0 °C povzroči odmrtje celic in celotnega organizma.
V naravnih razmerah se temperatura zelo redko ohranja na ravni, ugodni za življenje. Odgovor na to je pojav v rastlinah in živalih posebnih naprav, ki oslabijo škodljive učinke temperaturnih nihanj. To je zlasti niz lastnosti in prilagoditvenih prilagoditev, ki tvorijo ustrezno raven zimske trdnosti in odpornosti proti zmrzali rastlin.
zimska trdnost- odpornost rastlin na kompleks neugodnih dejavnikov zimskega obdobja (izmenične zmrzali in odmrznitve, ledena skorja, namakanje, vlaženje itd.). Določeno in zagotovljeno je s prehodom rastlin v stanje organskega mirovanja, postavitvijo popkov na zaščitena mesta, kopičenjem energijskega materiala (škroba, maščob), odpadanjem listov in prilagoditvenimi reakcijami organizmov.
Odpornost proti zmrzali- sposobnost celic, tkiv in celih rastlin, da brez poškodb prenesejo delovanje zmrzali. Zaradi številnih fizioloških in biokemičnih prilagoditev in lastnosti rastline, odporne proti zmrzali, tvorijo led pri nižji temperaturi kot rastline, odporne proti zmrzali, in jih spremlja manj poškodb.
Odpornost na mraz- lastnost zgodnjepomladanskih rastlin (efemerov in efemeroidov), da uspešno rastejo pri nizkih pozitivnih temperaturah. Ta izraz se uporablja tudi za označevanje toploljubnih rastlin (koruza, kumare, lubenice).
Zimska odpornost in odpornost proti zmrzali sta značilni za rastline le pozimi, ko imajo čas, da se strdijo in preidejo v stanje mirovanja. Med rastno sezono (poleti) vse rastline ne morejo prenesti niti kratkotrajne izpostavljenosti rahlim zmrzali.
utrjevanje rastlin- tvorjenje v rastlinah sposobnosti, da uspešno prenesejo neugodne razmere pod vplivom posebnih pogojev jesenske sezone. Ima dvofazni značaj. Med prvim pride do kopičenja ogljikovih hidratov, prerazporeditve hranila med organi, čemur pripomore razmeroma toplo in sončno vreme. V drugi fazi se s postopnim zniževanjem temperature poveča količina osmotsko aktivnih snovi v vakuolah, zmanjša se količina vode, spremeni se stanje citoplazme - rastline preidejo v stanje mirovanja.
Stanje mirovanja- kvalitativno nova stopnja rastlinskega organizma, v katero prezimne rastline preidejo z nastopom neugodnih razmer. Zanj je značilno prenehanje vidne rasti in zmanjšanje vitalne aktivnosti, odmiranje in odpadanje listov in nadzemnih organov zelnatih trajnic, nastanek lusk na ledvicah, debela plast povrhnjice in lubja na steblih. V tkivih in celicah se kopičijo zaviralci, ki zavirajo procese rasti in oblikovanja, zaradi česar rastline ne morejo vzkliti niti v najugodnejših umetno ustvarjenih razmerah ter ob občasnih jesenskih in zgodnjih zimskih segrevanjih.
Obstaja obdobje (stanje) globokega ali organskega mirovanja, ki je posledica ustrezne priprave in notranjega ritma razvoja rastlinskega organizma, in obdobje prisilnega mirovanja, v katerem ostanejo rastline po globokem mirovanju, ko je njihova rast forsirana. biti zadržan zaradi neugodnih razmer - nizka temperatura, pomanjkanje hranil. Prisilni počitek je enostavno prekiniti z ustvarjanjem ugodnih pogojev za rastlino.
Rastline težko izstopijo iz stanja globokega mirovanja, saj je njegovo trajanje v večini precejšnje - do konca januarja - februarja. Izstop rastlin iz tega stanja je možen šele po njegovem zaključku in zaključku ustreznih biokemičnih in fizioloških transformacij v telesu, ki jih povzroča vpliv obdobja nizkih temperatur določenega trajanja. Po koncu obdobja mirovanja se količina nukleinskih kislin v rastlinah opazno poveča, zaviralci rasti izginejo in pojavijo se avksini - stimulatorji rastnih procesov.
Sposobnost prehoda v stanje mirovanja je nujna stopnja v rastlinski ontogenezi, ki jo notranje določa ritem fizioloških in biokemičnih procesov. Ta lastnost se je pojavila v rastlinah v procesu evolucije kot prilagoditvena reakcija kot odziv na občasne spremembe temperaturnih pogojev zunanjega okolja.
Mnoge rastline preidejo v stanje mirovanja ne samo pozimi, ampak tudi poleti. To so zgodaj spomladi cvetoče rastline (tulipani, krokusi, borovnice). Tudi veliko rastlin v tropskih območjih, puščavah in polpuščavah preide v stanje poletnega mirovanja. Različno dolgotrajno mirovanje je značilno tudi za sveže nabrana semena in plodove, gomolje, čebulice in korenovke.
Obstajajo metode in tehnike, s katerimi lahko rastline spravimo iz stanja globokega mirovanja. To so tople kopeli (37-39 ° C), zdravljenje z hlapi etra, vbadanje dna ledvic z iglo itd.
Toplotne spremembe v habitatu organizmov nimajo le negativnega, ampak tudi pozitivnega vpliva. Številne rastlinske vrste potrebujejo na določeni stopnji ontogeneze obdobje nizkih temperatur, običajno kratkotrajnega, da lahko začnejo cveteti in zaključijo svoj življenjski cikel. Primeri stimulativnega učinka nizkih temperatur so:
Proces vernalizacije je prehod kaljenih semen ozimnih posevkov z izpostavljenostjo mrazu v stanje razvoja (nastanek reproduktivnih organov).
Stratifikacija - vpliv nizke temperature na semena, shranjena v določenih pogojih vlažnosti, da se pripravijo na kalitev. V naravnih razmerah se priprava semen s trdimi lupinami za kalitev izvaja v pomladno-zimskem obdobju, to je z njihovo obvezno izpostavljenostjo obdobju nizkih in pod ničelnih temperatur.
Oblikovanje cvetočih puščic s kalitvijo čebulic je možno le, če jih predhodno hranimo pri nizkih temperaturah.
Znižanje temperature v kombinaciji z drugimi dejavniki sproži prehod trajnic v stanje organskega mirovanja, ki je najbolj učinkovito za uspešno prenašanje kombinacije neugodnih zimskih dejavnikov.
Hitrost prehoda skozi stopnje življenjskega cikla rastlin in živali, njihova rast in razvoj so močno odvisni od temperature. Tako se normalna presnova pri rastlinah in poikilotermnih živalih po hladnem zatiranju (hibernacija, mirovanje) obnovi pri temperaturi, določeni za vsako vrsto, ki se imenuje temperaturni prag razvoja. Bolj ko temperatura okolja presega mejno vrednost, intenzivnejši je razvoj organizma. Za oceno količine toplote, ki jo prejme rastlina za zaključek rastne sezone ali prehod življenjskega cikla živali od jajčeca ali jajčeca do odrasle osebe, se uporablja indikator vsote efektivnih temperatur (Σt), dobljen s seštevanjem dnevnih presežkov povprečne dnevne temperature zraka določene vrednosti, ki ustreza temperaturnemu pragu razvoja.
Mejna temperatura za začetek rastne sezone za večino predstavnikov vegetacije zmernega pasu se šteje za doseganje povprečne dnevne temperature 5 ° C, za gojene rastline - 10 ° C, za termofilne rastline - 15 ° C. C, za ličinke večine živali - 0 ° C.
Temperaturne prilagoditve živali
V primerjavi z rastlinami imajo živali bolj raznolike sposobnosti uravnavanja telesne temperature, in sicer:
s kemično termoregulacijo - aktivna sprememba vrednosti proizvodnje toplote s povečanjem metabolizma;
s fizično termoregulacijo - sprememba stopnje prenosa toplote, ki temelji na razvoju toplotno zaščitnih pokrovov, posebnih naprav cirkulacijskega sistema, porazdelitve maščobnih rezerv, zlasti v rjavem maščobnem tkivu itd.
Poleg tega nekatere značilnosti vedenja živali prispevajo tudi k njihovemu obstoju v spreminjajočih se okoljskih razmerah: izbira kraja z ugodnimi mikroklimatskimi razmerami - kopanje v pesku, kunah, pod kamni (živali vročih step in puščav), aktivnost v določenem obdobju. dneva (kače, jerboi, škržati), gradnja skladišč, gnezd itd.
Ena najpomembnejših progresivnih prilagoditev je sposobnost termoregulacije telesa pri sesalcih in pticah, njihova toplokrvnost. Zahvaljujoč tej ekološko pomembni prilagoditvi so višje živali razmeroma neodvisne od temperaturnih pogojev okolja.
Za ohranjanje temperaturnega ravnovesja je pomembno razmerje med površino in prostornino telesa, saj je količina proizvedene toplote odvisna od telesne teže, izmenjava toplote pa poteka preko ovojnice.
Povezavo med velikostjo in razmerji telesa živali s temperaturo in podnebnimi razmerami nakazuje Bergmanovo pravilo, po katerem od dveh sorodnih vrst toplokrvnih živali, ki se razlikujeta po velikosti, večja živi v hladnejšem podnebju. , pa tudi Allepovo pravilo, po katerem se pri mnogih sesalcih in pticah severne poloble relativna velikost okončin in drugih štrlečih delov (ušes, kljunov, repov) povečuje proti jugu in zmanjšuje proti severu (za zmanjšanje prenosa toplote). v hladnih podnebjih).
Prilagoditev temperature
prilagoditve organizmov na temperaturo. Živi organizmi so v dolgi evoluciji razvili različne prilagoditve, ki vam omogočajo uravnavanje metabolizma ob spremembi temperature okolja. To dosežemo: 1) z različnimi biokemičnimi in fiziološkimi spremembami v telesu, ki vključujejo spremembe v koncentraciji in aktivnosti encimov, dehidracijo, znižanje zmrziščne točke telesnih raztopin itd.; 2) vzdrževanje telesne temperature na bolj stabilni temperaturni ravni kot temperatura okolja, kar vam omogoča, da ohranite potek biokemičnih reakcij, ki so se razvile za to vrsto. [ ...]
Temperaturne prilagoditve. Poikilotermni živi organizmi so pogosti v vseh okoljih, zasedajo habitate različnih temperaturnih pogojev, do najbolj ekstremnih: praktično živijo v celotnem temperaturnem območju, zabeleženem v biosferi. Ob ohranjanju splošnih principov temperaturnih reakcij (o katerih smo razpravljali) v vseh primerih različne vrste in celo populacije iste vrste kažejo te reakcije v skladu z značilnostmi podnebja in prilagajajo odzive telesa na določen obseg temperaturnih učinkov. To se kaže predvsem v oblikah odpornosti na toploto in mraz: vrste, ki živijo v hladnejšem podnebju, so bolj odporne na nizke temperature in manj na visoke; prebivalci vročih območij kažejo obratne reakcije
Temperaturni režim vodnih teles je bolj stabilen kot na kopnem, kar je povezano s fizikalnimi lastnostmi vode, predvsem z visoko specifično toplotno kapaciteto. Na primer, amplituda temperaturnih nihanj v zgornjih plasteh oceanskih voda ni večja od 10-15 ° C, globlje plasti vodnega stolpca pa se odlikujejo po konstantni temperaturi (znotraj 3-4 ° C). Zaradi stabilnejšega temperaturnega režima vode so stenotermni organizmi zelo razširjeni med hidrobionti. Najbolj presenetljiv primer so belokrvne ribe (približno 18 vrst), ki živijo v mrzlih vodah Antarktike. Te ribe (velikosti ne presegajo 60 cm) so edinstvene po tem, da njihova kri v živem stanju ni rdeča, kot pri vseh vretenčarjih, ampak prozorna ali bela zaradi popolne odsotnosti rdečih krvnih celic v njej. Kisika ne prenaša hemoglobin, ampak krvna plazma. Zmanjšanje eritrocitov je nekakšna prilagoditev, ki prispeva k zmanjšanju viskoznosti krvi, kar zagotavlja zadosten krvni obtok med življenjem v ledenih vodah Antarktike. Večina teh rib živi v globinah od 5 do 340 m, posamezne vrste (globinska bela riba) pa najdemo tudi v globinah do 2000 m. Nekatere izmed njih so zelo lepe, zlasti nosorogova bela riba s svojo fluorescentno vijolično obarvanostjo (Carlton-Ray et al., 1988). [ ...]
Prilagoditve so lahko morfološke, izražene v prilagajanju strukture (oblike) organizmov okoljskim dejavnikom, primer je razlika v velikosti ušes pri gozdnih in stepskih ježih; fiziološka - prilagoditev prebavnega trakta na sestavo hrane, primer je struktura želodca s prisotnostjo dodatnega oddelka pri rastlinojedih prežvekovalcih; vedenjski ali ekološki - prilagajanje vedenja živali temperaturnim razmeram, vlagi ipd., primer je hibernacija pri številnih živalih: glodavcih, medvedih ipd. [ ...]
Prilagoditev na stabilne temperature pri poikilotermnih živalih spremljajo kompenzacijske spremembe v ravni metabolizma, ki normalizirajo vitalne funkcije v ustreznih temperaturnih režimih. Takšne prilagoditve se razkrijejo s primerjavo tesno povezanih vrst, geografskih populacij iste vrste in sezonskih razmer posameznikov iste populacije. Splošni vzorec prilagoditvenih premikov v metabolizmu je, da imajo živali, prilagojene na nižjo temperaturo, višjo stopnjo metabolizma kot tiste, prilagojene na višjo temperaturo (slika 4.8). To velja tako za splošno raven metabolizma kot za posamezne biokemične reakcije. Dokazano je bilo na primer, da se stopnja in odzivnost na temperaturne spremembe amillitične aktivnosti ekstrakta trebušne slinavke močvirske žabe razlikujeta v različnih geografskih populacijah te vrste. Če aktivnost pri 35°C vzamemo za 100%, potem bo pri 5°C aktivnost pri žabah iz populacije polotoka Jamal 53,7, pri populaciji iz okolice Jekaterinburga pa le 35%. [ ...]
V temperaturnem območju prilagajanja poteka izmenjava najbolj harmonično in ni odvisna ali zelo malo odvisna od sprememb temperature v zunanjem okolju. Na grafu je to izraženo s sploščitvijo krivulje, ki izraža odvisnost izmenjave od temperaturnih sprememb. [ ...]
V temperaturnem območju prilagajanja izmenjava poteka najbolj gladko, harmonično. V smeri višjih in nižjih temperatur iz temperaturnega območja prilagajanja pride do spremembe teh koeficientov, spremembe v razmerju posameznih povezav, ki sestavljajo izmenjavo plinov in presnovo na splošno. [ ...]
Splošna prilagoditev na različne temperaturne razmere habitata temelji na spremembi stabilnosti tkiv, ki je v veliki meri povezana s toplotno stabilnostjo beljakovin in različnimi toplotnimi nastavitvami encimskih sistemov. Dokazano je na primer, da je toplotna odpornost celic različnih vrst morskih nevretenčarjev v korelaciji z njihovo vertikalno razporeditvijo: višja je pri prebivalcih zgornjega sublitorala in nižja pri vrstah, ki naseljujejo globlje in hladnejše cone. Pri vrstah arktičnega izvora se je toplotna odpornost na celični ravni izkazala za nižjo kot pri borealnih vrstah (A.V. Zhirmunsky, 1968, 1969). [ ...]
Rastline se postopoma pripravijo na prenos zmrzali, po zaključku rastnih procesov se predhodno utrdijo. Utrjevanje je kopičenje v celicah sladkorjev (do 20-30%), derivatov ogljikovih hidratov, nekaterih aminokislin in drugih zaščitnih snovi, ki vežejo vodo. Hkrati se poveča odpornost celic proti zmrzovanju, saj se vezana voda težje odvaja z ledenimi kristali, ki nastanejo v tkivih. Ultrastrukture in encimi so preurejeni tako, da celice prenesejo dehidracijo, povezano z nastajanjem ledu.
Odmrznitve sredi in zlasti ob koncu zime povzročijo hitro zmanjšanje odpornosti rastlin proti zmrzali. Po koncu zimskega mirovanja se utrjevanje izgubi. Spomladanske zmrzali, ki pridejo nenadoma, lahko poškodujejo poganjke, ki so začeli rasti, zlasti cvetove, tudi pri rastlinah, odpornih proti zmrzali.
Glede na stopnjo prilagoditve na visoke temperature lahko ločimo naslednje skupine organizmov:
1) vrste, ki niso odporne na vročino - poškodovane so že pri + 30 ... + 40 ° C (evkariontske alge, vodno cvetenje, kopenski mezofiti);
2) toplotno odporni evkarionti - rastline suhih habitatov z močno insolacijo (stepe, puščave, savane, suhi subtropiki itd.); prenašajo pol ure segrevanja do + 50 ... + 60 ° C;
3) toplotno odporni prokarionti - termofilne bakterije in nekatere vrste modrozelenih alg, lahko živijo v vročih vrelcih pri temperaturi +85 ... + 90 ° C.
Vpliv vlage na žive organizme Vsi živi organizmi potrebujejo vodo. Biokemične reakcije, ki potekajo v celicah, potekajo v tekočem mediju. Voda služi kot univerzalno topilo za organizme, z njeno pomočjo se prenašajo hranila, hormoni, izločajo škodljivi presnovni produkti itd. Prilagajanje rastlin in živali na vlago. Potreba po ohranjanju vode je povzročila prilagoditve, podobne rastlinam in živalim. Imajo specializirana pokrovna tkiva, ki so slabo prepustna za vodo. Dihanje poteka skozi majhne luknje, ki vodijo v notranje votline, kar zmanjša izgubo vlage. Kopenske živali iščejo oziroma aktivno ustvarjajo mikroklimatske razmere s primerno vlažnostjo. Večina rastlin dobi večino vlage iz tal. Ta proces je urejen z rastjo korenin zaradi posebne strukture listov.
Voda ima v življenju vsakega organizma izjemno vlogo, saj je strukturna sestavina celice (voda predstavlja 60-80 % celične mase). Pomen vode v življenju celice določajo njene fizikalno-kemijske lastnosti. Zaradi polarnosti se lahko molekula vode pritegne k drugim molekulam, pri čemer nastanejo hidrati, tj. je topilo. Številne kemične reakcije lahko potekajo samo v prisotnosti vode. Voda je v živih sistemih »toplotni blažilnik«, ki absorbira toploto pri prehodu iz tekočega v plinasto stanje in s tem varuje nestabilne celične strukture pred poškodbami ob kratkotrajnem sproščanju toplotne energije. V zvezi s tem proizvaja hladilni učinek pri izhlapevanju s površine in uravnava telesno temperaturo. Toplotno prevodne lastnosti vode določajo njeno vodilno vlogo klimatskega termostata v naravi. Voda se počasi segreva in počasi ohlaja: poleti in podnevi se voda morij, oceanov in jezer segreva, ponoči in pozimi pa se počasi tudi ohlaja. Med vodo in zrakom poteka stalna izmenjava ogljikovega dioksida. Poleg tega voda opravlja transportno funkcijo, premika snovi v tleh od zgoraj navzdol in obratno. Vloga vlage za kopenske organizme je posledica dejstva, da so padavine med letom neenakomerno razporejene po zemeljski površini. V sušnih območjih (stepe, puščave) rastline pridobivajo vodo zase s pomočjo močno razvitega koreninskega sistema, včasih zelo dolgih korenin (do 16 m v kameljih trnih), ki segajo v mokro plast. Visok osmotski tlak celičnega soka (do 60-80 atm), ki poveča sesalno moč korenin, prispeva k zadrževanju vode v tkivih. V suhem vremenu rastline zmanjšajo izhlapevanje vode: pri puščavskih rastlinah se pokrovna tkiva listov zgostijo ali pa se na površini listov razvije voskasta plast ali gosto sušenje. Številne rastline dosežejo zmanjšanje vlage z zmanjšanjem listne plošče (listi se spremenijo v bodice, pogosto rastline popolnoma izgubijo liste - saxaul, tamarisk itd.).
Glede na zahteve po vodnem režimu med rastlinami ločimo naslednje ekološke skupine:
Hidrofiti - rastline, ki stalno živijo v vodi;
Hidrofiti - rastline le delno potopljene v vodo;
Helofiti - močvirske rastline;
Higrofiti - kopenske rastline, ki živijo na preveč vlažnih mestih;
Mezofiti - raje imajo zmerno vlago;
Kserofiti - rastline, prilagojene stalnemu pomanjkanju vlage; Med kserofiti ločimo:
sukulente - kopičenje vode v tkivih svojega telesa (sočne);
sklerofiti - izguba znatne količine vode.
Za razliko od rastlin živali z mišicami proizvedejo veliko več lastne, notranje toplote. Med krčenjem mišic se sprosti veliko več toplotne energije kot pri delovanju katerega koli drugega organa in tkiva, saj je učinkovitost uporabe kemične energije za opravljanje mišičnega dela relativno nizka. Močnejša in aktivnejša ko je muskulatura, več toplote lahko žival ustvari. V primerjavi z rastlinami imajo živali bolj raznolike načine uravnavanja lastne telesne temperature.
Glavni načini prilagajanja temperature pri živalih so naslednji:
Kemična termoregulacija- povečanje proizvodnje toplote kot odziv na znižanje temperature okolja; Mnoge živali lahko vzdržujejo optimalno telesno temperaturo zaradi dela mišic, vendar s prenehanjem telesne dejavnosti toplota preneha nastajati in se hitro odvaja iz telesa zaradi nepopolnosti mehanizmov fizične termoregulacije. Na primer, čmrlji segrejejo telo s posebnimi mišičnimi kontrakcijami - drgetanjem - do + 32 ... + 33 ° C, kar jim omogoča vzlet in hranjenje v hladnem vremenu. Čebele močno zamahnejo s krili, da povečajo temperaturo v panju (»družbena« regulacija temperature). Samica pitona se ovije okoli svoje grede jajčec in skrči svoje mišice, kar poveča telesno temperaturo in učinkovito vzdržuje konstantno temperaturo kuče. Ohranjanje temperature zaradi povečanja proizvodnje toplote zahteva veliko porabo energije, zato s povečanjem kemične termoregulacije živali potrebujejo veliko količino hrane ali porabijo veliko maščobnih rezerv, nabranih prej. Majhna rovka ima na primer izjemno visoko stopnjo metabolizma. Izmenjuje zelo kratka obdobja spanja in aktivnosti, aktivna je ob kateri koli uri dneva, pozimi ne prezimuje in poje 4-kratno količino hrane na dan. Srčni utrip rovk je do 1000 utripov na minuto. Prav tako ptice, ki ostanejo čez zimo, potrebujejo veliko hrane; ne bojijo se toliko zmrzali kot lakote. Torej, ob dobri letini smrekovih in borovih semen, križanke celo pozimi gojijo piščance.
Krepitev kemične termoregulacije ima torej svoje meje, zaradi možnosti pridobivanja hrane.
Ob pomanjkanju hrane pozimi je ta vrsta termoregulacije okoljsko neugodna. Na primer, slabo je razvita pri vseh živalih, ki živijo onkraj arktičnega kroga: polarne lisice, mroži, tjulnji, polarni medvedi, severni jeleni itd. Za prebivalce tropov tudi kemična termoregulacija ni značilna, saj jih praktično ne potrebujejo dodatna proizvodnja toplote.
Fizična termoregulacija- sprememba stopnje prenosa toplote, sposobnost zadrževanja toplote ali, nasprotno, odvajanja njenega presežka. Fizična termoregulacija se izvaja zaradi posebnih anatomskih in morfoloških značilnosti strukture živali: dlake in perja, refleksnega zoženja (za ohranjanje toplote v telesu) in širjenja (za izboljšanje prenosa toplote) krvnih žil kože, sprememb v toploti. izolacijske lastnosti krznene in pernate prevleke, regulacija prenosa toplote izhlapevanja.
Gosta dlaka sesalcev, perje in zlasti puhovina ptičev omogočajo ohranjanje zračne plasti okoli telesa s temperaturo, ki je blizu telesni temperaturi živali, in s tem zmanjšujejo toplotno sevanje med zunanje okolje. Prenos toplote uravnavajo naklon dlake in perja, sezonska menjava dlake in perja. Izjemno toplo zimsko krzno živali iz Arktike jim omogoča, da v hladnem vremenu ne pospešijo metabolizma in zmanjšajo potrebo po hrani. Na primer, polarne lisice na obali Arktičnega oceana pozimi zaužijejo celo manj hrane kot poleti.
Pri živalih v hladnem podnebju je plast podkožnega maščobnega tkiva razporejena po telesu, saj je maščoba dober toplotni izolator. Pri živalih v vročem podnebju bi takšna porazdelitev maščobnih zalog povzročila smrt zaradi pregrevanja zaradi nezmožnosti odvajanja odvečne toplote, zato maščobo shranjujejo lokalno, v ločenih delih telesa, ne da bi motili toplotno sevanje s skupne površine. (kamele, debelorepe ovce, zebuji itd.).
Protitočne sisteme za izmenjavo toplote, ki pomagajo vzdrževati primerno temperaturo notranjih organov, najdemo v šapah in repih vrečarjev, lenivcev, mravljinčarjev, prosimianov, plavutonožcev, kitov, pingvinov in žerjavov.
Izredno visoka odpornost homoiotermnih živali na pregrevanje je bila briljantno prikazana pred približno dvesto leti v poskusu dr. C. Blagdena v Angliji. Skupaj s številnimi prijatelji in psom je brez posledic za zdravje preživel 45 minut v suhi komori pri temperaturi +126°C. Hkrati se je izkazalo, da je kos mesa, vzet v komoro, kuhan, hladna voda, katere izhlapevanje je preprečila plast olja, pa je bila segreta do vrenja.
Fizična termoregulacija je ekološko ugodnejša, saj se prilagoditev na mraz ne izvaja zaradi dodatne proizvodnje toplote, temveč zaradi njenega ohranjanja v telesu živali.
Učinkovit mehanizem za uravnavanje prenosa toplote je izhlapevanje vode s potenjem ali skozi vlažne sluznice ustne votline in zgornjih dihalnih poti. Sposobnost proizvajanja znoja različni tipi drugačen. Človek v ekstremni vročini lahko proizvede do 12 litrov znoja na dan, pri čemer odvaja desetkrat več toplote kot običajno. Izločeno vodo je seveda treba nadomestiti s pitjem. Pri nekaterih živalih pride do izhlapevanja samo skozi sluznico ust. Pri psu, za katerega je težko dihanje glavna metoda izhlapevalne termoregulacije, frekvenca dihanja v tem primeru doseže 300-400 vdihov na minuto. Mnogi plazilci, ko se temperatura približa zgornji kritični, začnejo težko dihati ali držijo odprta usta, s čimer povečajo vračanje vode iz sluznic, nekatere živalske vrste za hlajenje telesa uporabljajo izhlapevanje sline, s katero vlažijo površino telesa. Prebivalci severa, tako kot polarna lisica, zajec belec, tundra jerebica, so normalno vitalni in aktivni tudi v najhujših zmrzali, ko je razlika v zračni in telesni temperaturi več kot 70 °C.
Regulacija temperature z izhlapevanjem zahteva od telesa porabo vode in zato ni mogoča v vseh pogojih obstoja.
Obnašanje organizmov. Premikanje skozi prostor
živali se lahko aktivno izogibajo ekstremnim temperaturam. Za mnoge živali je vedenje skoraj edino in zelo učinkovit način ohranjanje toplotnega ravnovesja. Obstajata dve glavni načeli vedenjske termoregulacije: aktivna izbira krajev z najugodnejšo mikroklimo in sprememba drže. S spremembo drže lahko žival poveča ali zmanjša segrevanje telesa zaradi sončnega sevanja. Na primer, puščavska kobilica v hladnih jutranjih urah izpostavi sončnim žarkom široko bočno površino telesa, opoldne pa ozko hrbtno površino. Kuščar dvigne telesno temperaturo na direktnem soncu na 37 0 C v samo 20 minutah. V hudi vročini se živali skrivajo v senci, skrivajo v rovih. V puščavi podnevi na primer nekatere vrste kuščarjev in kač plezajo po grmovju in se izogibajo stiku z vročo površino tal. Pozimi veliko živali poišče zavetje, kjer je potek temperatur bolj umirjen kot v odprtih habitatih. Ko je segreto, se živali ne premaknejo samo na sončna območja, ampak tudi zavzamejo posebne grelne drže. Na primer, iguane zgodaj zjutraj zavzamejo "prostrt" položaj in površina, ki jo sonce segreje, je največja; ko se pregrejejo, kuščarji zavzamejo "povišano" držo: glava in vrat sta iztegnjena navzgor, prsni koš in sprednji del trebuha. so dvignjene nad podlago.
Še bolj zapletene so oblike obnašanja družbenih žuželk: čebel, mravelj, termitov, ki gradijo gnezda z dobro uravnano temperaturo v njih, skoraj konstantno v času aktivnosti žuželk.
Posebno zanimivo je skupinsko vedenje živali z namenom termoregulacije. Na primer, nekateri pingvini se v hudi zmrzali in snežnih nevihtah stiskajo v gostem kupu, tako imenovani "želvi". Osebki, ki so na robu, se čez nekaj časa prebijejo noter, "želva" pa počasi kroži in se premika. Znotraj takšnega grozda se temperatura vzdržuje pri približno + 37 ° C tudi v najhujših zmrzali. Prebivalke puščave, kamele, se tudi v hudi vročini stisnejo skupaj, se oprimejo drug drugega, vendar s tem dosežejo nasprotni učinek – preprečijo močno segrevanje površine telesa s sončnimi žarki. Temperatura v središču skupine živali je enaka njihovi telesni temperaturi +39 °C, medtem ko se dlaka na hrbtu in bokih skrajnih osebkov segreje do +70 °C.
Slika 2 - Značilnosti strukture lukenj in lokacije gnezd različnih vrst sesalcev: 1 - brlog evropskega zajca v peščenih sipinah; 2- snežna luknja zajca; 3 - poletni rov opoldanskega gerbila; 4- brlog majhnega škržatka; 5 - brlog pižmovke; 6 - pižmovka loža (a- gnezdilne komore; b - krmne komore in zaloge hrane); 7 - voluhar gnezdi v hrastovem duplu; 8 - zimsko gnezdo navadne veverice.
Za poikiloterme se je še posebej težko upreti pomanjkanju toplote, z znižanjem temperature okolja se vsi vitalni procesi močno upočasnijo in živali padejo v stupor. V tako neaktivnem stanju imajo visoko hladno odpornost, ki je zagotovljena predvsem biokemijske prilagoditve. Za začetek dejavnosti morajo živali najprej prejeti določeno količino toplote od zunaj.
V nasprotju s poikilotermnimi pod vplivom mraza v telesu homoiotermnih živali oksidativni procesi ne oslabijo, ampak se okrepijo, zlasti v skeletnih mišicah. Pri mnogih živalih opazimo tresenje mišic, kar povzroči sproščanje dodatne toplote. Poleg tega celice mišic in mnogih drugih tkiv oddajajo toploto tudi brez opravljanja delovnih funkcij in prihajajo v posebno stanje termoregulacijski ton. Toplotni učinek mišične kontrakcije in termoregulacijski tonus celic se močno poveča z znižanjem temperature okolja.
Ko se proizvaja dodatna toplota, se metabolizem lipidov še posebej poveča, saj nevtralne maščobe vsebujejo glavni vir kemične energije. Zato maščobne rezerve živali zagotavljajo boljšo termoregulacijo. Sesalci imajo celo specializirani boraks maščobno tkivo, pri kateri se vsa sproščena kemična energija namesto v ATP vezi odvaja v obliki toplote, tj. gre za ogrevanje telesa. Buraja maščobno tkivo najbolj razvit pri živalih hladnega podnebja.
Za vzdrževanje temperaturnega ravnovesja ni majhnega pomena razmerje med površino telesa in njegovim volumnom, saj je na koncu obseg proizvodnje toplote odvisen od mase živali, prenos toplote pa poteka skozi njen pokrov, torej pri prilagajanju na hladno, se manifestira zakon površinske ekonomije, saj je kompaktna oblika telesa z minimalnim razmerjem med površino in prostornino najugodnejša za ohranjanje toplote.
Povezavo med velikostjo in razmerji telesa živali ter podnebnimi razmerami njihovega habitata so opazili že v 19. stoletju. Po pravilu K. Bergmana, če se dve bližnji vrsti toplokrvnih živali razlikujeta po velikosti, potem večja živi v hladnejši, a majhna - v toplem podnebju. Bergman je poudaril, da se ta pravilnost kaže le, če se vrste ne razlikujejo v drugih prilagoditvah za termoregulacijo.
D. Allen leta 1877 opazil, da so pri mnogih sesalcih in pticah na severni polobli relativne velikosti okončin in različnih štrlečih delov telesa (repi, ušesa, kljuni)) narašča proti jugu. Termoregulacijski pomen posameznih delov telesa še zdaleč ni enakovreden. Štrleči deli imajo veliko relativno površino, kar je ugodno v vročih podnebjih. Pri mnogih sesalcih so na primer ušesa še posebej pomembna za ohranjanje toplotnega ravnovesja, saj so opremljena z velikim številom krvnih žil. Ogromna ušesa afriškega slona, majhne puščavske lisice fenec, ameriškega zajca so se spremenila v specializirane termoregulacijske organe.
Slika 3 - Relativna velikost ušes pri zajcih ( od leve proti desni: zajec; ležati; ameriški zajec)
