Адаптации живых организмов к температуре

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ

КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ 
 
 

Реферат на тему: «Адаптации живых организмов

к температуре». 
 
 

Выполнила:

Максимова Екатерина

Студентка 2го курса

 группы Гб-101

Факультета  Естественных наук

Проверила: Половинкина  Ю.С. 
 

Волгоград

2011 г.

Содержание.

1. Введение…………………………………………………………………………………………….3
2. К чему приводит изменение температуры……………………………………….4
3. Температурные границы существования видов……………………………...5-7
4. Температура тела и тепловой баланс организмов…………………………..8-9
5. Приспособления к температуре……………………………………………………….10-11
6. Список литературы……………………………………………………………………………12

1. Введение.

Животные  и растения вынуждены приспосабливаться  к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Динамичность экологических факторов во времени  и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических  процессов, которые выполняют управляющую  роль по отношению к живым организмам. 

Адаптация (от позднелат. аdaptatio – прилаживание, приспособление, от лат. adapto - приспособляю) – это процесс приспособления строения и функций организмов, особей, популяций, видов и их органов к условиям среды. Вместе с тем любая адаптация есть результат конкретного исторического этапа приспособительного процесса – адаптациогенеза, протекающего в биотопах и биогеоценозах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. К чему приводит изменение  температуры.

От температуры  зависит и скорость в организме  биохимических реакций, составляющих обмен веществ. Повышение температуры  увеличивает количество молекул, обладающих энергией активации. Коэффициент, показывающий, во сколько раз изменяется скорость реакций при изменении температуры  на 10 °C, обозначают Q10. Для большинства химических реакций величина этого коэффициента равна 2–3 (закон Вант-Гоффа). Изменения температуры приводят также к изменениям стереохимической специфичности макромолекул: третичной и четвертичной структуры белков, строения нуклеиновых кислот, организации мембран и других структур клетки. Так как величина Q10 для разных биохимических реакций различна, то изменения температуры могут сильно нарушить сбалансированность обмена веществ, если скорости сопряженных процессов изменятся различным образом. Сильное понижение температуры вызывает опасность такого замедления обмена веществ, при котором окажется невозможным осуществление основных жизненных функций организма. Критическим моментом является замерзание воды в клетках, так как появление кристалликов льда несовместимо с сохранением целостности внутриклеточных структур. Повышение температуры ведет к денатурации белков, в среднем в области около 60 °C, но рассогласование биохимических и физиологических процессов начинается раньше, уже при некотором превышении 42–43 °C. Излишнее усиление метаболизма при высоких температурах тела также может вывести организм из строя еще задолго до теплового разрушения ферментов, так как резко возрастают потребности в питательных веществах и кислороде, которые далеко не всегда могут быть удовлетворены. Таким образом, жизнь организмов в среде с низкими, высокими и колеблющимися температурами представляет сложную задачу адаптации, решаемую в ходе эволюции и индивидуального развития.

В процессе эволюции у живых организмов выработались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается двумя путями:

1) различными  биохимическими и физиологическими  перестройками (изменение набора, концентрации и активности ферментов,  обезвоживание, понижение точки  замерзания растворов тела и  т. д.);

2) поддержанием  температуры тела на более  стабильном уровне, чем температура  окружающей среды, что позволяет  не слишком нарушать сложившийся  ход биохимических реакций.  

3. Температурные границы существования  видов.

В среднем  активная жизнедеятельность организмов требует довольно узкого диапазона температур, ограниченного критическими порогами замерзания воды и тепловой денатурации белков, примерно в пределах от 0 до +50 °C.  Границы оптимальных температур соответственно должны быть еще более узкими. Однако реально эти границы преодолеваются в природе у многих видов за счет специфических адаптаций. Существуют экологические группы организмов, оптимум которых сдвинут в сторону низких или высоких температур.

Криофилы   – виды, предпочитающие холод и специализированные к жизни в этих условиях. Свыше 80 % земной биосферы относится к постоянно холодным областям с температурой ниже +5 °C – это глубины Мирового океана, арктические и антарктические пустыни, тундры, высокогорья. Обитающие здесь виды обладают повышенной холодостойкостью. Основные механизмы этих адаптаций биохимические. Ферменты холодолюбивых организмов обладают такими особенностями строения, которые позволяют им эффективно понижать энергию активации молекул и поддерживать клеточный метаболизм при температурах, близких к 0 °C. Большую роль играют также механизмы, предотвращающие образование льда внутри клеток. При этом реализуются два основных пути – противостояние замерзанию (резистентность) и устойчивость к замерзанию (толерантность).

Биохимический путь противостояния замерзанию –  накопление в клетках макромолекулярных  веществ – антифризов, которые  понижают точку замерзания жидкостей  тела и препятствуют образованию  кристаллов льда в организме. Такого типа холодовые адаптации обнаружены, например, у антарктических рыб семейства  нототениевых, которые живут при  температуре тела -1,86 °C, плавая под поверхностью сплошного льда в воде с такою же температурой. Мелкая тресковая рыба сайка в Северном Ледовитом океане плавает в водах с температурой не выше +5 °C, а нерестится зимой в переохлажденных водах у побережья. Глубоководные рыбы в приполярных районах все время находятся в переохлажденном состоянии.

Предельная  температура, при которой еще  возможна активность клеток, зафиксирована  у микроорганизмов. В холодильных  камерах мясные продукты могут быть испорчены за счет деятельности бактерий при температурах до -10-12 °C. Ниже этих температур роста и развития одноклеточных организмов не происходит.

Другой путь холодостойкости – выносливость к замерзанию – связан с временным  прекращением активного состояния (гипобиозом или криптобиозом). Образование  кристалликов льда внутри клеток необратимо нарушает их ультраструктуру и приводит к гибели. Но многие криофилы способны переносить образование льда во внеклеточных жидкостях. Этот процесс приводит к  частичной дегидратации клеток, что  повышает их устойчивость. У насекомых  накопление защитных органических веществ, таких как глицерин, сорбит, маннит и других, препятствует кристаллизации внутриклеточных растворов и  позволяет переживать критические  морозные периоды в состоянии  оцепенения. Так, жуки-жужелицы в тундрах выдерживают переохлаждение до -35 °C, накапливая к зиме до 25 % глицерина и снижая содержание воды в теле с 65 до 54 %. Летом глицерин в их теле не обнаруживается. Некоторые насекомые выдерживают зимой до -47 и даже -50 °C с замерзанием внеклеточной, но не внутриклеточной влаги. Морские обитатели практически не сталкиваются с температурами ниже -2 °C, но беспозвоночные приливно-отливной зоны (моллюски, усоногие раки и др.) зимой во время отлива переносят замерзание до – (15–20) °С. Клетки под микроскопом выглядят сморщенными, но кристаллов льда в них не обнаруживается. Устойчивость к замерзанию может проявляться и у эвритермных видов, оптимальные температуры развития которых далеки от 0 °C.

Термофилы   – это экологическая группа видов, оптимум жизнедеятельности которых приурочен к области высоких температур. Термофилией отличаются многие представители микроорганизмов, растений и животных, встречающихся в горячих источниках, на поверхности прогреваемых почв, в разлагающихся органических остатках при их саморазогревании и т. п.

Верхние температурные  пределы активной жизни отличаются у разных групп организмов. Наиболее устойчивы бактерии. У одного из видов архебактерий, распространенных на глубинах вокруг термальных источников («курильщиков»), экспериментально обнаружена способность к росту и делению клеток при температурах, превышающих +110 °C. Некоторые бактерии, окисляющие серу, как, например, Sulfolobus acidocaldarius, размножаются при +(85–90)°С. Обнаружена даже способность ряда видов расти в практически кипящей воде. Естественно, не все бактерии активны при столь высоких температурах, но разнообразие таких видов достаточно велико.

Верхние температурные  пороги развития цианобактерий (сине-зеленых водорослей) и других фотосинтезирующих прокариот лежат в более низких пределах от +70 до +73 °C. Термофилы, растущие при +(60–75) °С, есть как среди аэробных, так и анаэробных бактерий, спорообразующих, молочнокислых, актиномицетов, метанообразующих и др. В неактивном состоянии спорообразующие бактерии выдерживают до +200 °C в течение десятков минут, что демонстрирует режим стерилизации предметов в автоклавах.

Термостабильность белков бактерий создается за счет значительного числа малых изменений  в их первичной структуре и  добавочных слабых связей, определяющих укладку молекул. В транспортных и рибосомных РНК термофилов повышено содержание гуанина и цитозина. Эта  пара оснований более термостабильна, чем пара аденин – урацил.

Таким образом, выход температурной устойчивости за пределы средней нормы происходит в основном за счет биохимических  адаптаций.

Среди эукариотных  организмов – грибов, простейших, растений и животных – также существуют термофилы, но уровень их толерантности  к высокой температуре ниже, чем  у бактерий. Пределы роста грибного мицелия составляют +(60–62) °С. Известны десятки видов, способных быть активными  при +50 °C и выше в таких местообитаниях, как компосты, стога сена, хранящееся зерно, прогреваемая почва, свалки и т. п. Простейшие – амебы и инфузории, одноклеточные водоросли могут размножаться до температуры в +(54–56) °С Высшие растения могут переносить краткосрочные нагревания до +(50–60) °С, но активный фотосинтез даже у пустынных видов тормозится температурами, превышающими +40 °C. Так, в клетках суданской травы при +48 °C движение цитоплазмы останавливается уже через 5 мин. Критические температуры тела некоторых животных, например пустынных ящериц, могут достигать +(48–49) °С, но для большинства видов температуры тела, превышающие +(43–44) °С, несовместимы с жизнью из-за рассогласования физиологических процессов и коагуляции белка коллагена. Таким образом, с усложнением организации живых существ способность их быть активными при высоких температурах понижается.

Узкая специализация  и латентные состояния намного  раздвигают границы жизни по отношению  к отдельным факторам среды. Если средние температурные пределы  активности организмов характеризуются  диапазоном от 0 до +(40–45) °С, то специализированные виды (криофилы и термофилы) расширяют  его более чем вдвое (от -10 до примерно +110 °C), а в состоянии криптобиоза и анабиоза некоторые формы жизни способны выдерживать температуры, близкие к абсолютному нулю или намного превышающие точку кипения виды.  

4. Температура тела и тепловой баланс организмов

Температура тела живых существ по-разному  зависит от температуры окружающей среды. Баланс тепла в организме  складывается из его прихода и  расхода. Источники поступления  тепловой энергии делятся на: 

1. внешние
2. внутренние

1. Внешнее, или экзогенное, тепло организм получает от более нагретых воды, воздуха, окружающих предметов, прямой солнечной радиации. При этом большую роль играют площадь покровов и их теплопроводность. 2.Внутреннее, или эндогенное, тепло вырабатывается как обязательный атрибут обмена веществ. Любой организм выделяет в окружающую среду тепло в результате своей жизнедеятельности.

Источником  теплообразования в клетках являются два экзотермических процесса:

1. окислительные реакции, для восстановления АТФ.
2. расщепление АТФ, энергия, которой, освобождаясь, идет, как известно, на осуществление всех рабочих функций клетки

Жизнедеятельность и активность большинства видов  на Земле зависят, прежде всего, от тепла, поступающего извне, а температура тела – от хода внешних температур. Такие организмы называют пойкилотермными.  Этот термин обозначает изменчивость теплового режима организмов. Пойкилотермность свойственна всем микроорганизмам, грибам, растениям, беспозвоночным животным и значительной части хордовых. Две группы высших животных – птиц и млекопитающих относят к гомойотермным.  Они способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.

Среди пойкилотермных организмов есть такие, которые всю  жизнь проводят в условиях постоянных внешних температур (глубины океанов, пещеры и т. п.), в связи, с чем температура их тела не меняется. Такое явление называют ложной гомойотермией . Она свойственна, например, ряду рыб и иглокожих. Среди истинно гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных.  В нее входят виды, впадающие в спячку или временное оцепенение. Эти виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела на высоком уровне, а в неактивном состоянии – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ. Примером являются сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др. Таким образом, термины «пойкилотермия», «гомойотермия», «ложная гомойотермия» и «гетеротермия» отражают степень изменчивости температуры живых существ.

Для характеристики организмов по основным источникам используемого  тепла используют термины эктотермный  и эндотермный.

Эктотермия   – это жизнь преимущественно за счет нагревания из внешней среды.

Эндотермия   – за счет тепла, вырабатываемого самим организмом.

Масштабы  выработки тепла сильно отличаются у разных видов, проявляя зависимость  от сложности организации группы, возможностей окислительных реакций, размеров и массы тела, условий  среды и других причин. Так, например, бактерии выделяют на грамм веса в  час около 450 кал, мухи-дрозофилы – 30, мыши – 8, для человека этот показатель равен 4. В пределах позвоночных животных при сходной массе тела млекопитающие продуцируют в 5–6 раз, а птицы – в 7–8 раз больше тепла, чем рептилии.

Все живые  организмы потенциально эндотермны, но сильно различаются по уровню обмена и возможностям сохранения тепла. Нарушения  теплового баланса меняют температуру  тела. Восстановить нарушенный баланс можно тремя путями:

1. изменением теплопродукции
2. изменением теплоотдачи
3. перемещением в пространстве в область предпочитаемых температур.

Пойкилотермные  и гомойотермные организмы по-разному реализуют возможности температурных адаптаций. 
 
 
 
 
 

5. Приспособления  к температуре

Нормальная  работа организма возможна только при  строго определённой температуре. Поэтому  животные, обитающие в пустынях, должны избегать перегрева, а обитатели  холодных мест, наоборот, вынуждены  экономить тепло. Птицы и млекопитающие  регулируют температуру тела за счёт собственного «внутреннего» тепла, вырабатываемого организмом, а остальные  полагаются в основном на внешние  источники тепла, регулируя пути его поступления или отдачи. Оба  пути имеют свои плюсы и минусы: холоднокровные напрямую зависят от температуры среды, а теплокровные платят за независимость большим  расходом энергии, а значит — большей  потребностью в пище.

Приспособления  к температурным условиям весьма разнообразны и проявляются как  во внешнем облике и строении тела, так и в особенностях физиологии и поведения. У обитающих в  жарких местах насекомых, как правило, светлая или блестящая «металлическая»  окраска, отражающая часть солнечных  лучей. Южные растения тоже нередко  имеют блестящие серебристые  листья. А в холодных районах чаще встречается тёмная окраска, ведь чёрный цвет способствует поглощению тепла. Животные высокогорий и полярных районов  для удержания тепла обзаводятся  теплоизоляцией — жировой прослойкой, плотными перьями или густым мехом. Некоторые обитатели пустынь  также используют мех как изоляцию — уже от излишней жары. Из тропических  жителей самый густой и длинный  мех у ленивцев: интенсивность  обмена веществ у этих малоподвижных  животных слишком низка и по ночам  они мерзнут даже в жарком климате. 
Размеры и форма тела тоже связаны с температурными условиями. Например, среди родственных видов обитатели самых холодных районов обычно крупнее своих более теплолюбивых соседей — это так называемое правило Бергмана.

Суть данного  правила в том, что потери тепла  происходят главным образом через  поверхность тела. Чем крупнее  животное, тем меньше отношение поверхности  его тела к объёму и, следовательно, меньше потери тепла. Точно так же объясняется и другая закономерность — правило Аллена: у животных, обитающих в холодном климате, выступающие  части тела (уши, лапы, хвост) обычно бывают короче.

При повышении  температуры окружающей среды теплокровные животные уменьшают количество образующегося  в организме тепла, замедляя обмен  веществ, и увеличивают теплоотдачу, расширяя кровеносные сосуды и интенсивно дыша. Один из самых действенных  способов — испарение воды через  кожу и потовые железы (потение): на испарение тратится очень много  «лишнего» тепла. Эта система охлаждения настолько совершенна, что человек, если его потовые железы работают нормально, может без вреда для себя переносить сильную жару (до 120°С) — только хватило бы воды.

На холоде, наоборот, обмен веществ у теплокровных животных усиливается за счёт экзотермических, идущих с выделением тепла, биохимических  реакций, например «сжигания» жиров  и углеводов. Много тепла образуется при работе мышц, поэтому на морозе нужно всё время двигаться. С  той же целью организм автоматически  включает непроизвольные мышечные реакции  — «дрожит от холода». Так греются  не только млекопитающие, но и некоторые  насекомые.

Переносить  сильное охлаждение помогает освобождение от излишней жидкости: при этом увеличивается  содержание солей во «внутренних» жидкостях  тела и снижается точка их замерзания. Подобным образом поступают некоторые  арктические насекомые, зимующие при  отрицательных температурах. У многих видов, живущих на севере, вырабатываются специальные вещества, предотвращающие  замерзание жидкости, — антифризы. У насекомых, например, для этого  служит глицерин, составляющий иногда до четверти их веса.

Наконец, многие приспособления связаны с поведением. Муравьи на ночь закрывают все  входы в муравейник, сохраняя внутри его температуру на 10—15 °С выше, чем снаружи. Многие животные находят  защиту от слишком высоких или  низких температур, зарываясь в землю. Пустынные ящерицы рано утром, пока воздух ещё не прогрелся, выбирают наиболее тёплые участки (например, небольшие  углубления или стволы деревьев) и  размещаются таким образом, чтобы  солнечные лучи падали на них под  прямым углом: «заряжаются» теплом на день. По мере повышения температуры ящерицы начинают искать более прохладные и влажные, затенённые участки. Одни укрываются в норах, другие, наоборот, забираются повыше от раскалённой земли и располагаются головой к солнцу, уменьшая площадь обогрева. Холодной ночью они уползают в норы или в расщелины и впадают в оцепенение, экономя накопленную за день энергию. Благодаря своей способности «играть» на разнице в температуре местообитаний, ящерицы и змеи более многочисленны в жарких и засушливых районах, чем птицы и млекопитающие. 
 
 

6. Список  литературы

Кормилицын  В.И., Цицкишвили М.С., Яламов Основы экологии: Учебное пособие//МПУ - М.:.-1997.- С.68.

Чернова Н.М., Былова А.М. Приспособления к температуре.- URL: http://blogoed.ru/prisposobleniya-k-temperature.html. Дата обращения: 10.09.2011.

Чернова Н.М., Былова А.М.Температурные границы вида. - URL: http://ours-nature.ru/b/book/5/page/3-glava-3-vazhneyshie-abioticheskie-faktori-i-adaptatsii-k-nim-organizmov/19-3-1-temperatura. Дата обращения: 12.09.2011.