Sự đa dạng của sự sống trên hành tinh của chúng ta đang nổi bật về quy mô của nó. Các nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học Canada đưa ra con số 8,7 triệu loài động vật, thực vật, nấm và vi sinh vật sinh sống trên hành tinh của chúng ta. Hơn nữa, chỉ có khoảng 20% trong số chúng được mô tả, và đây là 1,5 triệu loài được chúng ta biết đến. Các sinh vật sống đã cư trú ở tất cả các hốc sinh thái trên hành tinh. Không có nơi nào trong sinh quyển mà không có sự sống. Trong lỗ thông hơi của núi lửa và trên đỉnh Everest - ở khắp mọi nơi, chúng ta tìm thấy sự sống trong các biểu hiện khác nhau của nó. Và, không nghi ngờ gì nữa, thiên nhiên có được sự đa dạng và phân bố như vậy dẫn đến sự xuất hiện trong quá trình tiến hóa của hiện tượng máu nóng (sinh vật truyền nhiệt).
Ranh giới của cuộc sống là nhiệt độ
Cơ sở của sự sống là sự trao đổi chất của cơ thể, quá trình này phụ thuộc vào tốc độ và bản chất của các quá trình hóa học. NHƯNGcác phản ứng hóa học này chỉ có thể xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định, với các chỉ số và thời gian tiếp xúc riêng của chúng. Đối với một số lượng lớn hơn các sinh vật, các chỉ số ranh giới của chế độ nhiệt độ của môi trường được coi là từ 0 đến +50 độ C.
Nhưng đây là một kết luận suy đoán. Sẽ chính xác hơn nếu nói rằng giới hạn nhiệt độ của sự sống sẽ là giới hạn mà tại đó không có sự biến tính của protein, cũng như những thay đổi không thể đảo ngược trong đặc tính keo của tế bào chất, vi phạm hoạt động của các enzym quan trọng. Và nhiều sinh vật đã phát triển hệ thống enzym chuyên biệt cao cho phép chúng sống trong những điều kiện vượt xa những giới hạn này.
Phân loại môi trường
Ranh giới của nhiệt độ sống tối ưu xác định sự phân chia các dạng sống trên hành tinh thành hai nhóm - sinh vật ưa lạnh và sinh vật ưa nhiệt. Nhóm thứ nhất thích sống lạnh hơn và chuyên sống trong điều kiện như vậy. Hơn 80% sinh quyển của hành tinh là các vùng lạnh giá với nhiệt độ trung bình là +5 ° C. Đây là độ sâu của đại dương, sa mạc ở Bắc Cực và Nam Cực, lãnh nguyên và cao nguyên. Khả năng chịu lạnh được tăng lên nhờ sự thích nghi sinh hóa.
Hệ thống enzym của chất đông khô có hiệu quả làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phân tử sinh học và duy trì sự trao đổi chất trong tế bào ở nhiệt độ gần 0 ° C. Đồng thời, sự thích nghi đi theo hai hướng - trong việc đạt được sự phản kháng (chống đối) hoặc khả năng chịu đựng (chống lại) với cái lạnh. Nhóm sinh thái của sinh vật ưa nhiệt là những sinh vật tối ưu chocuộc sống của họ là những khu vực có nhiệt độ cao. Hoạt động sống của chúng cũng được cung cấp bởi sự chuyên hóa của các quá trình thích nghi sinh hóa. Điều đáng nói là với tình trạng tổ chức cơ thể bị biến chứng, khả năng ưa nhiệt giảm hẳn.
Nhiệt độ cơ thể
Sự cân bằng nhiệt trong một hệ thống sống là tổng thể của luồng vào và ra của nó. Thân nhiệt của sinh vật phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường (nhiệt ngoại sinh). Ngoài ra, một thuộc tính bắt buộc của sự sống là nhiệt nội sinh - sản phẩm của quá trình trao đổi chất bên trong (quá trình oxy hóa và sự phân hủy axit adenosine triphosphoric). Hoạt động sống của hầu hết các loài trên hành tinh của chúng ta phụ thuộc vào nhiệt ngoại sinh, và nhiệt độ cơ thể của chúng phụ thuộc vào quá trình nhiệt độ môi trường xung quanh. Đây là những sinh vật ưa nhiệt (poikilos - nhiều loại), trong đó nhiệt độ cơ thể có thể thay đổi.
Poikilotherms là tất cả vi sinh vật, nấm, thực vật, động vật không xương sống và hầu hết các hợp âm. Và chỉ có hai nhóm động vật có xương sống - chim và động vật có vú - là sinh vật đồng chất (homoios - tương tự). Chúng duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi, bất chấp nhiệt độ môi trường xung quanh. Chúng còn được gọi là động vật máu nóng. Sự khác biệt chính của chúng là sự hiện diện của dòng nhiệt bên trong mạnh mẽ và hệ thống cơ chế điều hòa nhiệt. Kết quả là, ở các sinh vật đồng chất, tất cả các quá trình sinh lý đều được thực hiện ở nhiệt độ tối ưu và không đổi.
Đúng và Sai
Một số poikilothermscác sinh vật như cá và da gai cũng có thân nhiệt không đổi. Chúng sống trong điều kiện nhiệt độ bên ngoài không đổi (độ sâu của đại dương hoặc hang động), nơi nhiệt độ môi trường không thay đổi. Chúng được gọi là các sinh vật đồng thân một cách giả tạo. Nhiều loài động vật trải qua giai đoạn ngủ đông hoặc kêu tạm thời có nhiệt độ cơ thể dao động. Những sinh vật thực sự đồng thân nhiệt này (ví dụ: marmots, dơi, hedgehogs, swifts và những sinh vật khác) được gọi là dị thân nhiệt.
Hương thơm thân yêu
Sự xuất hiện của hiện tượng đồng thân nhiệt ở các sinh vật là một quá trình tiến hóa tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Các học giả vẫn đang tranh cãi về nguồn gốc của sự thay đổi tiến bộ này trong cấu trúc, dẫn đến sự gia tăng cấp độ tổ chức. Nhiều giả thuyết đã được đưa ra về nguồn gốc của các sinh vật máu nóng. Một số nhà nghiên cứu thừa nhận rằng ngay cả khủng long cũng có thể có đặc điểm này. Nhưng với tất cả những bất đồng của các nhà khoa học, có một điều chắc chắn rằng: sự xuất hiện của các sinh vật đồng thân là một hiện tượng năng lượng sinh học. Và sự phức tạp của các dạng sống có liên quan đến sự cải thiện chức năng của các cơ chế truyền nhiệt.
Bù nhiệt độ
Khả năng của một số sinh vật đẳng nhiệt để duy trì mức độ ổn định của quá trình trao đổi chất trong một loạt các thay đổi về nhiệt độ cơ thể được cung cấp bởi sự thích nghi sinh hóa và được gọi là bù nhiệt độ. Nó dựa trên khả năng thay đổi cấu hình của một số enzym khi nhiệt độ giảm và tăng ái lực của chúng với cơ chất, làm tăng tốc độ phản ứng. Ví dụ, ở trai hai mảnh vỏỞ biển Barents, mức tiêu thụ oxy không phụ thuộc vào nhiệt độ xung quanh, nằm trong khoảng 25 ° C (+5 đến +30 ° C).
Hình thức trung gian
Các nhà sinh vật học tiến hóa đã tìm thấy những đại diện giống nhau của các dạng chuyển tiếp từ động vật có vú máu nóng sang sinh nhiệt. Các nhà sinh vật học Canada từ Đại học Brock đã phát hiện ra tính máu nóng theo mùa ở loài tegu đen trắng Argentina (Alvator merianae). Loài thằn lằn dài gần mét này sống ở Nam Mỹ. Giống như hầu hết các loài bò sát, tegu tắm nắng vào ban ngày và ẩn mình trong các hang và hang vào ban đêm, nơi nó nguội lạnh. Nhưng vào mùa sinh sản từ tháng 9 đến tháng 10, nhiệt độ của tegu, nhịp hô hấp và nhịp co bóp của tim vào buổi sáng tăng mạnh. Nhiệt độ cơ thể của thằn lằn có thể vượt quá nhiệt độ trong hang 10 độ. Điều này chứng tỏ sự chuyển đổi các dạng từ động vật máu lạnh sang động vật đồng loại.
Cơ chế điều nhiệt
Sinh vật đồng chất luôn hoạt động để đảm bảo hoạt động của các hệ thống chính - tuần hoàn, hô hấp, bài tiết - bằng cách tạo ra một lượng nhiệt tối thiểu. Mức tối thiểu này được tạo ra khi nghỉ ngơi được gọi là chuyển hóa cơ bản. Việc chuyển sang trạng thái hoạt động ở động vật máu nóng làm tăng sản sinh nhiệt và chúng cần cơ chế tăng truyền nhiệt để ngăn chặn sự biến tính của protein.
Quá trình đạt được sự cân bằng giữa các quá trình này được cung cấp bởi quá trình điều nhiệt hóa học và vật lý. Các cơ chế này cung cấp sự bảo vệ của các sinh vật đồng nhiệt độ khỏi nhiệt độ thấp vàquá nhiệt. Các cơ chế duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi (điều chỉnh nhiệt hóa học và vật lý) có nhiều nguồn khác nhau và rất đa dạng.
Điều chế nhiệt hóa học
Để đối phó với sự giảm nhiệt độ môi trường, các động vật máu nóng theo phản xạ tăng sản sinh nhiệt nội sinh. Điều này đạt được bằng cách tăng quá trình oxy hóa, đặc biệt là trong các mô cơ. Sự co cơ không phối hợp (run rẩy) và trương lực điều hòa nhiệt là những giai đoạn đầu tiên của quá trình sinh nhiệt. Đồng thời, chuyển hóa lipid tăng lên, và mô mỡ trở thành chìa khóa để điều hòa nhiệt tốt hơn. Động vật có vú ở khí hậu lạnh thậm chí còn có chất béo màu nâu, tất cả nhiệt từ quá trình oxy hóa sẽ làm ấm cơ thể. Sự tiêu hao năng lượng này đòi hỏi động vật phải tiêu thụ một lượng lớn thức ăn hoặc có lượng chất béo dự trữ đáng kể. Với sự thiếu hụt các nguồn tài nguyên này, điều chế nhiệt hóa học có giới hạn của nó.
Cơ chế điều nhiệt vật lý
Kiểu điều nhiệt này không đòi hỏi thêm chi phí sinh nhiệt mà được thực hiện bằng cách bảo toàn nhiệt nội sinh. Nó được thực hiện bởi quá trình bay hơi (đổ mồ hôi), bức xạ (bức xạ), dẫn nhiệt (dẫn truyền) và đối lưu của da. Các phương pháp điều nhiệt vật lý đã phát triển trong quá trình tiến hóa và ngày càng trở nên hoàn thiện hơn khi nghiên cứu chuỗi phát sinh loài từ động vật ăn côn trùng và dơi đến động vật có vú.
Một ví dụ về quy định này là sự thu hẹp hoặc mở rộng của các mao mạch máu của da, thay đổitính dẫn nhiệt, cách nhiệt của lông và lông vũ, phản dòng trao đổi nhiệt của máu giữa các mạch bề ngoài và các mạch của các cơ quan nội tạng. Sự tản nhiệt được điều chỉnh bởi độ dốc của lông và lông vũ, giữa đó một khoảng cách không khí được duy trì.
Ở động vật có vú sống ở biển, lớp mỡ dưới da được phân bổ khắp cơ thể, bảo vệ nội nhiệt. Ví dụ, ở hải cẩu, một túi mỡ như vậy lên tới 50% tổng trọng lượng. Đó là lý do tại sao tuyết không tan chảy dưới những con hải cẩu nằm trên băng trong nhiều giờ. Đối với động vật sống ở vùng khí hậu nóng, lượng mỡ cơ thể phân bố đều trên toàn bộ bề mặt cơ thể sẽ gây tử vong. Do đó, mỡ của chúng chỉ tích tụ ở một số bộ phận nhất định trên cơ thể (bướu lạc đà, mỡ đuôi cừu), không ngăn được sự bay hơi trên toàn bộ bề mặt cơ thể. Ngoài ra, động vật của vùng khí hậu lạnh phương Bắc có một mô mỡ đặc biệt (mỡ nâu), hoàn toàn dùng để sưởi ấm cơ thể.
Nam hơn - tai to hơn và chân dài hơn
Các bộ phận khác nhau của cơ thể khác xa nhau về khả năng truyền nhiệt. Để duy trì sự truyền nhiệt, tỷ lệ giữa bề mặt cơ thể và thể tích của nó là quan trọng, bởi vì thể tích nhiệt bên trong phụ thuộc vào khối lượng của cơ thể và sự truyền nhiệt xảy ra qua các nguyên tố. Các phần nhô ra của cơ thể có bề mặt lớn, rất tốt cho khí hậu nóng, nơi động vật máu nóng cần truyền nhiệt nhiều. Ví dụ, đôi tai lớn với nhiều mạch máu, các chi dài và một cái đuôi là đặc trưng cho cư dân của khí hậu nóng (voi, cáo fennec, châu Phitai dài). Trong điều kiện lạnh, sự thích ứng theo con đường tiết kiệm diện tích so với âm lượng (tai và đuôi của hải cẩu).
Có một luật khác dành cho động vật máu nóng - các đại diện ở phía bắc của một nhóm phát sinh loài sống càng xa thì chúng càng lớn. Và điều này cũng liên quan đến tỷ lệ giữa thể tích của bề mặt bay hơi, và theo đó, mất nhiệt và khối lượng của động vật.
Thần thoại và truyền nhiệt
Đặc điểm hành vi cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt, đối với cả động vật đẳng nhiệt và đẳng nhiệt. Điều này bao gồm những thay đổi về tư thế, và việc xây dựng các nơi trú ẩn, và các cuộc di cư khác nhau. Độ sâu của lỗ càng lớn, quá trình nhiệt độ càng trơn tru. Đối với các vĩ độ trung bình, ở độ sâu 1,5 mét, dao động nhiệt độ theo mùa là không thể nhận thấy.
Hành vi nhóm cũng được sử dụng để điều chỉnh nhiệt. Vì vậy, những chú chim cánh cụt xúm vào nhau, quấn chặt lấy nhau. Bên trong đống, nhiệt độ gần với nhiệt độ cơ thể của chim cánh cụt (+37 ° C) ngay cả trong những đợt sương giá khắc nghiệt nhất. Lạc đà cũng làm như vậy - ở trung tâm của nhóm nhiệt độ là khoảng +39 ° C và lông của những con vật ngoài cùng có thể được làm nóng lên đến +70 ° C.
Ngủ đông là một chiến lược đặc biệt
Trạng thái Torpid (sững sờ) hay ngủ đông là những chiến lược đặc biệt của động vật máu nóng cho phép sử dụng những thay đổi về nhiệt độ cơ thể cho các mục đích thích nghi. Ở trạng thái này, động vật ngừng duy trì nhiệt độ cơ thể và giảm xuống gần như bằng không. Ngủ đông được đặc trưng bởi sự giảm tỷ lệ trao đổi chất vàtiêu dùng tài nguyên tích lũy. Đây là một trạng thái sinh lý được điều chỉnh tốt, khi các cơ chế điều hòa nhiệt chuyển sang mức thấp hơn - nhịp tim giảm (ví dụ: trong nhà ngủ tập thể từ 450 đến 35 nhịp mỗi phút), mức tiêu thụ oxy giảm 20-100 lần.
Sự thức tỉnh đòi hỏi năng lượng và xảy ra bằng cách tự làm ấm, không nên nhầm lẫn với sự sững sờ của động vật máu lạnh, nó gây ra bởi sự giảm nhiệt độ xung quanh và là trạng thái không được kiểm soát bởi chính cơ thể (thức xảy ra dưới tác động của các yếu tố bên ngoài).
Stupor cũng là một trạng thái được điều hòa, nhưng nhiệt độ cơ thể chỉ giảm vài độ và thường đi kèm với nhịp sinh học. Ví dụ, chim ruồi trở nên tê liệt vào ban đêm khi nhiệt độ cơ thể của chúng giảm từ 40 ° C xuống 18 ° C. Có nhiều quá trình chuyển đổi giữa ngủ đông và ngủ đông. Vì vậy, mặc dù chúng ta gọi giấc ngủ của loài gấu là ngủ đông nhưng trên thực tế, quá trình trao đổi chất của chúng giảm nhẹ, và nhiệt độ cơ thể chúng chỉ giảm từ 3-6 ° C. Chính trong trạng thái này, gấu con đã sinh ra đàn con.
Tại sao có rất ít sinh vật đồng loại trong môi trường nước
Trong số các loài thủy sinh (sinh vật sống trong môi trường nước), có rất ít đại diện của động vật máu nóng. Cá voi, cá heo, hải cẩu lông là những động vật thủy sinh thứ cấp đã trở lại môi trường thủy sinh từ đất liền. Tính máu nóng chủ yếu liên quan đến sự gia tăng các quá trình trao đổi chất, cơ sở của nó là các phản ứng oxy hóa. Và oxy đóng một vai trò quan trọng ở đây. Và, như bạn biết, trongtrong môi trường nước hàm lượng ôxy không quá 1% thể tích. Sự khuếch tán của oxy trong nước ít hơn hàng nghìn lần so với trong không khí, điều này khiến lượng oxy này thậm chí còn ít hơn. Ngoài ra, với sự gia tăng nhiệt độ và làm giàu các hợp chất hữu cơ của nước, hàm lượng oxy giảm. Tất cả những điều này làm cho sự tồn tại của một số lượng lớn các sinh vật máu nóng trong môi trường nước trở nên bất lợi về mặt năng lượng.
Ưu và nhược điểm
Ưu điểm chính của động vật máu nóng so với động vật máu lạnh là chúng sẵn sàng hành động bất chấp nhiệt độ xung quanh. Đây là cơ hội để chống chọi với nhiệt độ ban đêm gần như đóng băng, và sự phát triển của các vùng lãnh thổ phía bắc của vùng đất.
Nhược điểm chính của máu nóng là tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì thân nhiệt ổn định. Và nguồn chính cho việc này là thực phẩm. Một con sư tử máu nóng cần lượng thức ăn gấp mười lần so với một con cá sấu máu lạnh có cùng trọng lượng.
