המגוון של החיים על הפלנטה שלנו בולט בקנה המידה שלו. מחקרים אחרונים של מדענים קנדיים נותנים נתון של 8.7 מיליון מינים של בעלי חיים, צמחים, פטריות ומיקרואורגניזמים המאכלסים את הפלנטה שלנו. יתרה מכך, רק כ-20% מהם מתוארים, ומדובר ב-1.5 מיליון מינים המוכרים לנו. אורגניזמים חיים אכלסו את כל הנישות האקולוגיות על פני כדור הארץ. אין מקום בביוספרה שבו לא יהיו חיים. בפתחי הרי געש ובפסגת האוורסט - בכל מקום אנו מוצאים חיים על ביטוייהם השונים. וללא ספק, הטבע חייב גיוון ותפוצה כאלה להופעה בתהליך האבולוציה של תופעת הדם החם (אורגניזמים הומיאותרמיים).
גבול החיים הוא טמפרטורה
בסיס החיים הוא חילוף החומרים בגוף, התלוי במהירות ובאופי התהליכים הכימיים. אבלתגובות כימיות אלו אפשריות רק בטווח טמפרטורות מסוים, עם אינדיקטורים משלהם ומשך החשיפה שלהם. עבור מספר גדול יותר של אורגניזמים, מדדי הגבול של משטר הטמפרטורה של הסביבה נחשבים ל-0 עד +50 מעלות צלזיוס.
אבל זו מסקנה ספקולטיבית. זה יהיה מדויק יותר לומר שגבולות הטמפרטורה של החיים יהיו אלה שבהם אין דנטורציה של חלבונים, כמו גם שינויים בלתי הפיכים במאפיינים הקולואידים של הציטופלזמה של תאים, הפרה של פעילותם של אנזימים חיוניים. ואורגניזמים רבים פיתחו מערכות אנזימטיות מיוחדות ביותר שאפשרו להם לחיות בתנאים הרבה מעבר לגבולות אלה.
סיווג סביבתי
הגבולות של טמפרטורות חיים אופטימליות קובעות את חלוקת צורות החיים על הפלנטה לשתי קבוצות - קריופילים ותרמופילים. הקבוצה הראשונה מעדיפה קור לכל החיים ומתמחה לחיים בתנאים כאלה. יותר מ-80% מהביוספרה של כדור הארץ הם אזורים קרים עם טמפרטורה ממוצעת של +5 מעלות צלזיוס. אלה הם מעמקי האוקיינוסים, המדבריות של הקוטב הצפוני והאנטארקטי, הטונדרה והגבעות. עמידות מוגברת לקור מסופקת על ידי התאמות ביוכימיות.
המערכת האנזימטית של קריופילים מורידה ביעילות את אנרגיית ההפעלה של מולקולות ביולוגיות ושומרת על חילוף החומרים בתא בטמפרטורה הקרובה ל-0 מעלות צלזיוס. יחד עם זאת, ההתאמות הולכות לשני כיוונים - ברכישת התנגדות (התנגדות) או סובלנות (התנגדות) לקור. הקבוצה האקולוגית של תרמופילים הם אורגניזמים האופטימליים עבורשחייהם הם אזורים של טמפרטורות גבוהות. פעילות חייהם מסופקת גם על ידי התמחות של התאמות ביוכימיות. ראוי להזכיר שעם הסיבוך של ארגון הגוף, יורדת יכולתו לטרמפיליה.
טמפרטורת גוף
מאזן החום במערכת חיה הוא מכלול הזרימה והיציאה שלו. טמפרטורת הגוף של אורגניזמים תלויה בטמפרטורת הסביבה (חום אקסוגני). בנוסף, תכונה חובה של חיים היא חום אנדוגני - תוצר של חילוף חומרים פנימי (תהליכי חמצון ופירוק חומצה טריפוספורית אדנוזין). הפעילות החיונית של רוב המינים על הפלנטה שלנו תלויה בחום אקסוגני, וטמפרטורת הגוף שלהם תלויה במהלך של טמפרטורות הסביבה. אלו הם אורגניזמים פויקילותרמיים (פויקילוס - שונים), שבהם טמפרטורת הגוף משתנה.
Poikilotherms הם כולם מיקרואורגניזמים, פטריות, צמחים, חסרי חוליות ורוב הקורדיטים. ורק שתי קבוצות של חולייתנים - ציפורים ויונקים - הן אורגניזמים הומיו-תרמיים (homoios - דומים). הם שומרים על טמפרטורת גוף קבועה, ללא קשר לטמפרטורת הסביבה. הם נקראים גם בעלי חיים בעלי דם חם. ההבדל העיקרי ביניהם הוא נוכחות של זרימה עוצמתית של חום פנימי ומערכת של מנגנונים תרמווויסות. כתוצאה מכך, באורגניזמים הומיו-תרמיים, כל התהליכים הפיזיולוגיים מתבצעים בטמפרטורות אופטימליות וקבועות.
נכון ושקר
כמה פויקילותרמיםגם לאורגניזמים כמו דגים ואכינודרמים יש טמפרטורת גוף קבועה. הם חיים בתנאים של טמפרטורות חיצוניות קבועות (מעמקי האוקיינוס או המערות), שבהם טמפרטורת הסביבה אינה משתנה. הם נקראים אורגניזמים הומיו-תרמיים באופן שקרי. לבעלי חיים רבים שחווים תרדמה או עצבנות זמנית יש טמפרטורת גוף משתנה. האורגניזמים ההומיו-תרמיים באמת (דוגמאות: מרמיטות, עטלפים, קיפודים, סופות ואחרים) נקראים הטרו-תרמיים.
ארומורפוזה יקרה
הופעה של הומיויותרמיה ביצורים חיים היא רכישה אבולוציונית שצורכת מאוד אנרגיה. חוקרים עדיין מתווכחים על מקורו של שינוי מתקדם זה במבנה, שהוביל לעלייה ברמת הארגון. תיאוריות רבות הוצעו למקורם של אורגניזמים בעלי דם חם. כמה חוקרים מודים שאפילו דינוזאורים יכולים להיות בעלי תכונה זו. אבל עם כל חילוקי הדעות של מדענים, דבר אחד בטוח: הופעתם של אורגניזמים הומיאו-תרמיים היא תופעה ביו-אנרגטית. והסיבוך של צורות חיים קשור לשיפור תפקודי של מנגנוני העברת חום.
פיצוי טמפרטורה
היכולת של כמה אורגניזמים פויקילותרמיים לשמור על רמה קבועה של תהליכים מטבוליים במגוון רחב של שינויים בטמפרטורת הגוף מסופקת על ידי התאמות ביוכימיות ונקראת פיצוי טמפרטורה. זה מבוסס על יכולתם של אנזימים מסוימים לשנות את התצורה שלהם עם ירידה בטמפרטורה ולהגביר את הזיקה שלהם עם המצע, להגביר את קצב התגובות. למשל, מולים צלתייםבים ברנטס, צריכת החמצן אינה תלויה בטמפרטורות הסביבה, שנעות בין 25 מעלות צלזיוס (+5 עד +30 מעלות צלזיוס).
טפסי ביניים
ביולוגים אבולוציוניים מצאו את אותם נציגים של צורות מעבר מיונקים פויקילותרמיים ליונקים בעלי דם חם. ביולוגים קנדיים מאוניברסיטת ברוק גילו דם חם עונתי בטגו השחור-לבן הארגנטינאי (Alvator merianae). לטאה כמעט מטר זו חיה בדרום אמריקה. כמו רוב הזוחלים, הטגו מתחמם בשמש במהלך היום, ובלילה מסתתר במחילות ובמערות, שם הוא מתקרר. אבל בעונת הרבייה מספטמבר עד אוקטובר, הטמפרטורה של הטגו, קצב הנשימה וקצב התכווצויות הלב בבוקר עולים בחדות. טמפרטורת הגוף של לטאה יכולה לעלות בעשר מעלות על הטמפרטורה במערה. זה מוכיח את המעבר של צורות מבעלי חיים בעלי דם קר לבעלי חיים הומיוותרמיים.
מנגנוני ויסות חום
אורגניזמים הומויו-תרמיים פועלים תמיד כדי להבטיח את פעולתן של המערכות העיקריות - מחזור הדם, הנשימה, ההפרשה - על ידי יצירת מינימום של ייצור חום. המינימום הזה המיוצר במנוחה נקרא חילוף חומרים בסיסי. המעבר למצב הפעיל בבעלי חיים בעלי דם חם מגביר את ייצור החום, והם זקוקים למנגנונים להגברת העברת החום כדי למנוע דנטורציה של חלבון.
תהליך השגת איזון בין תהליכים אלה מסופק על ידי ויסות תרמי כימי ופיזיקלי. מנגנונים אלה מספקים הגנה על אורגניזמים הומיו-תרמיים מפני טמפרטורות נמוכות והתחממות יתר. למנגנונים לשמירה על טמפרטורת גוף קבועה (ויסות חום כימי ופיזי) יש מקורות שונים והם מגוונים מאוד.
רגולציה תרמית כימית
בתגובה לירידה בטמפרטורת הסביבה, בעלי חיים בעלי דם חם מגבירים באופן רפלקסיבי את ייצור החום האנדוגני. זה מושג על ידי הגברת תהליכי חמצון, במיוחד ברקמות השריר. התכווצות שרירים לא מתואמת (רעד) וטונוס תרמוגולטורי הם השלבים הראשונים של הגברת ייצור החום. במקביל, חילוף החומרים השומנים עולה, ורקמת השומן הופכת למפתח לוויסות חום טוב יותר. ליונקים באקלים קר יש אפילו שומן חום, שכל החום מהחמצון שלו הולך לחמם את הגוף. הוצאת אנרגיה זו מחייבת את החיה לצרוך כמות גדולה של מזון או להחזיק מאגרי שומן משמעותיים. עם מחסור במשאבים אלה, יש גבולות לוויסות תרמי כימי.
מנגנונים של ויסות חום פיזיקלי
סוג זה של ויסות תרמי אינו מצריך עלויות נוספות לייצור חום, אלא מתבצע על ידי שימור חום אנדוגני. הוא מתבצע על ידי אידוי (הזעה), קרינה (קרינה), הולכת חום (הולכה) והסעה של העור. שיטות של ויסות תרמי פיזי התפתחו במהלך האבולוציה והופכות למושלמות יותר ויותר כאשר לומדים את הסדרה הפילוגנטית מאוכלי חרקים ועטלפים ועד ליונקים.
דוגמה לרגולציה כזו היא היצרות או התרחבות של נימי הדם של העור, המשתנהמוליכות תרמית, תכונות בידוד חום של פרווה ונוצות, חילופי חום נגד זרם דם בין כלי שטח וכלי איברים פנימיים. פיזור החום מווסת על ידי שיפוע שערות הפרווה והנוצות, שביניהם נשמר פער אוויר.
ביונקים ימיים, שומן תת עורי מופץ בכל הגוף, מגן על האנדו-חום. לדוגמה, בכלבי ים, שקית שומן כזו מגיעה עד 50% מהמשקל הכולל. לכן השלג אינו נמס מתחת לכלבי הים השוכבים על הקרח במשך שעות. עבור בעלי חיים החיים באקלים חם, חלוקה שווה של שומן הגוף על פני כל פני הגוף תהיה קטלנית. לכן, השומן שלהם מצטבר רק בחלקים מסוימים בגוף (גבנון של גמל, זנב שמן של כבשה), מה שלא מונע אידוי מכל פני הגוף. בנוסף, לבעלי חיים באקלים הקר הצפוני יש רקמת שומן מיוחדת (שומן חום), המשמשת לחלוטין לחימום הגוף.
יותר דרומה - אוזניים גדולות יותר ורגליים ארוכות
חלקים שונים בגוף רחוקים מלהיות שוות ערך מבחינת העברת חום. כדי לשמור על העברת חום, היחס בין פני הגוף לנפחו חשוב, מכיוון שנפח החום הפנימי תלוי במסה של הגוף, והעברת חום מתרחשת דרך התאים. לחלקי הגוף הבולטים יש משטח גדול, מה שטוב לאקלים חם, שבו בעלי חיים בעלי דם חם זקוקים להעברת חום רבה. לדוגמה, אוזניים גדולות עם כלי דם רבים, גפיים ארוכות וזנב אופייניות לתושבי אקלים חם (פיל, שועל שומר, אפריקאיג'רבואה עם אוזניים ארוכות). בתנאי קור, ההסתגלות עוקבת אחר הדרך של שמירת שטח לנפח (אוזניים וזנב של כלבי ים).
יש חוק נוסף לבעלי חיים בעלי דם חם - ככל שנציגים צפוניים יותר של קבוצה פילוגנטית אחת חיים, כך הם גדולים יותר. וזה קשור גם ליחס בין נפח משטח האידוי, ובהתאם לאיבוד החום, ומסת החיה.
אתולוגיה והעברת חום
תכונות התנהגותיות ממלאות גם תפקיד חשוב בתהליכי העברת חום, הן עבור חיות פויקילותרמיות והן עבור בעלי חיים הומיותרמיים. זה כולל שינויים ביציבה, ובניית מקלטים והגירות שונות. ככל שעומק החור גדול יותר, מהלך הטמפרטורות חלק יותר. בקווי רוחב בינוניים, בעומק של 1.5 מטר, תנודות טמפרטורה עונתיות אינן מורגשות.
התנהגות קבוצתית משמשת גם לויסות חום. אז, הפינגווינים מצטופפים יחד, נצמדים בחוזקה זה לזה. בתוך הערימה, הטמפרטורה קרובה לטמפרטורת הגוף של פינגווינים (+37 מעלות צלזיוס) אפילו בכפור החמור ביותר. גמלים עושים את אותו הדבר - במרכז הקבוצה הטמפרטורה היא בערך +39 מעלות צלזיוס, וניתן לחמם את הפרווה של החיות החיצוניות עד ל-+70 מעלות צלזיוס.
תרדמת חורף היא אסטרטגיה מיוחדת
מצב עצבני (קהה) או תרדמת חורף הן אסטרטגיות מיוחדות של בעלי חיים בעלי דם חם המאפשרות שימוש בשינויים בטמפרטורת הגוף למטרות הסתגלות. במצב זה, החיות מפסיקות לשמור על טמפרטורת הגוף ומפחיתות אותה לכמעט אפס. שינה מאופיין בירידה בקצב חילוף החומרים וצריכת משאבים שנצברו. זהו מצב פיזיולוגי מווסת היטב, כאשר מנגנוני תרמו-וויסות עוברים לרמה נמוכה יותר - קצב הלב יורד (לדוגמה, בעכבר מ-450 ל-35 פעימות לדקה), צריכת החמצן יורדת פי 20-100.
התעוררות דורשת אנרגיה ומתרחשת על ידי התחממות עצמית, שאין לבלבל אותה עם קהות חושים של בעלי חיים בעלי דם קר, שם היא נגרמת על ידי ירידה בטמפרטורת הסביבה והיא מצב שאינו מוסדר על ידי הגוף עצמו (התעוררות מתרחש בהשפעת גורמים חיצוניים).
Stupor הוא גם מצב מווסת, אבל טמפרטורת הגוף יורדת בכמה מעלות בלבד ולעיתים קרובות מלווה במקצבים צירקדיים. לדוגמה, יונקי דבש נעשים קהים בלילה כאשר טמפרטורת הגוף שלהם יורדת מ-40 מעלות צלזיוס ל-18 מעלות צלזיוס. ישנם מעברים רבים בין עצבנות לתרדמת חורף. אז למרות שאנו מכנים את שנתם של דובים בתרדמת חורף, למעשה, חילוף החומרים שלהם יורד מעט, וטמפרטורת הגוף שלהם יורדת רק ב-3-6 מעלות צלזיוס. במצב זה הדובה יולדת גורים.
מדוע יש מעט אורגניזמים הומיו-תרמיים בסביבה המימית
בין ההידרוביונטים (אורגניזמים החיים בסביבה המימית) יש מעט נציגים של בעלי חיים בעלי דם חם. לווייתנים, דולפינים, כלבי ים פרווה הם בעלי חיים מימיים משניים שחזרו לסביבה המימית מהיבשה. דם חם קשור בעיקר לעלייה בתהליכים מטבוליים, שבסיסם הוא תגובות חמצון. והחמצן משחק כאן תפקיד מרכזי. וכפי שאתה יודע, בבסביבה המימית, תכולת החמצן אינה גבוהה מ-1% בנפח. פיזור החמצן במים קטן פי אלפי מאשר באוויר, מה שהופך אותו לזמין אף פחות. בנוסף, עם עלייה בטמפרטורה והעשרת המים בתרכובות אורגניות, תכולת החמצן יורדת. כל זה הופך את קיומם של מספר רב של אורגניזמים בעלי דם חם בסביבה המימית לבלתי חיובי מבחינה אנרגטית.
יתרונות וחסרונות
היתרון העיקרי של בעלי חיים בעלי דם חם על פני בעלי דם קר הוא הנכונות שלהם לפעול ללא קשר לטמפרטורת הסביבה. זו הזדמנות לעמוד בטמפרטורות הלילה הקרובות לקפיא, והתפתחות השטחים הצפוניים של הארץ.
החיסרון העיקרי של דם חם הוא צריכת האנרגיה הגבוהה כדי לשמור על טמפרטורת גוף קבועה. והמקור העיקרי לכך הוא אוכל. אריה בעל דם חם צריך פי עשרה יותר מזון מאשר תנין בעל דם קר באותו משקל.
