La diversità della vita sul nostro pianeta colpisce per le sue dimensioni. Studi recenti di scienziati canadesi danno una cifra di 8,7 milioni di specie di animali, piante, funghi e microrganismi che abitano il nostro pianeta. Inoltre, ne viene descritto solo il 20% circa, e si tratta di 1,5 milioni di specie a noi note. Gli organismi viventi hanno popolato tutte le nicchie ecologiche del pianeta. Non c'è posto all'interno della biosfera dove non ci sarebbe vita. Nelle bocche dei vulcani e sulla cima dell'Everest - ovunque troviamo la vita nelle sue varie manifestazioni. E, senza dubbio, la natura deve tale diversità e distribuzione alla comparsa nel processo di evoluzione del fenomeno del sangue caldo (organismi omeotermici).
Il confine della vita è la temperatura
La base della vita è il metabolismo del corpo, che dipende dalla velocità e dalla natura dei processi chimici. MAqueste reazioni chimiche sono possibili solo in un determinato intervallo di temperatura, con i propri indicatori e la durata dell'esposizione. Per un numero maggiore di organismi, gli indicatori di confine del regime di temperatura dell'ambiente sono considerati da 0 a +50 gradi Celsius.
Ma questa è una conclusione speculativa. Sarebbe più accurato dire che i limiti di temperatura della vita saranno quelli in cui non vi è denaturazione delle proteine, nonché cambiamenti irreversibili nelle caratteristiche colloidali del citoplasma delle cellule, una violazione dell'attività degli enzimi vitali. E molti organismi hanno sviluppato sistemi enzimatici altamente specializzati che hanno permesso loro di vivere in condizioni ben oltre questi limiti.
Classificazione ambientale
I limiti delle temperature di vita ottimali determinano la divisione delle forme di vita sul pianeta in due gruppi: criofili e termofili. Il primo gruppo preferisce il freddo per tutta la vita ed è specializzato per la vita in tali condizioni. Più dell'80% della biosfera del pianeta sono regioni fredde con una temperatura media di +5 °C. Queste sono le profondità degli oceani, i deserti dell'Artico e dell'Antartico, la tundra e gli altopiani. Una maggiore resistenza al freddo è fornita da adattamenti biochimici.
Il sistema enzimatico dei criofili abbassa efficacemente l'energia di attivazione delle molecole biologiche e mantiene il metabolismo nella cellula a una temperatura prossima a 0 °C. Allo stesso tempo, gli adattamenti vanno in due direzioni: nell'acquisizione di resistenza (opposizione) o tolleranza (resistenza) al freddo. Il gruppo ecologico dei termofili sono organismi ottimali perle cui vite sono aree ad alte temperature. La loro attività vitale è fornita anche dalla specializzazione degli adattamenti biochimici. Vale la pena ricordare che con la complicazione dell'organizzazione del corpo, la sua capacità di termofilia diminuisce.
Temperatura corporea
L'equilibrio del calore in un sistema vivente è la totalità del suo afflusso e deflusso. La temperatura corporea degli organismi dipende dalla temperatura ambiente (calore esogeno). Inoltre, un attributo obbligatorio della vita è il calore endogeno, un prodotto del metabolismo interno (processi ossidativi e scomposizione dell'acido adenosina trifosforico). L'attività vitale della maggior parte delle specie sul nostro pianeta dipende dal calore esogeno e la loro temperatura corporea dipende dall'andamento della temperatura ambiente. Questi sono organismi poichilotermici (poikilos - vari), in cui la temperatura corporea è variabile.
Poikilotherm sono tutti microrganismi, funghi, piante, invertebrati e la maggior parte dei cordati. E solo due gruppi di vertebrati - uccelli e mammiferi - sono organismi omoiotermici (homoios - simili). Mantengono una temperatura corporea costante, indipendentemente dalla temperatura ambiente. Sono anche chiamati animali a sangue caldo. La loro principale differenza è la presenza di un potente flusso di calore interno e di un sistema di meccanismi di termoregolazione. Di conseguenza, negli organismi omoiotermici, tutti i processi fisiologici vengono eseguiti a temperature ottimali e costanti.
Vero e falso
Alcuni poichilotermeanche organismi come pesci ed echinodermi hanno una temperatura corporea costante. Vivono in condizioni di temperatura esterna costante (le profondità dell'oceano o delle grotte), dove la temperatura ambiente non cambia. Sono chiamati organismi falsamente omoiotermici. Molti animali che sperimentano il letargo o il torpore temporaneo hanno temperature corporee fluttuanti. Questi organismi veramente omoiotermici (esempi: marmotte, pipistrelli, ricci, rondoni e altri) sono chiamati eterotermici.
Cara aromorfosi
La comparsa dell'omoiotermia negli esseri viventi è un'acquisizione evolutiva che consuma molta energia. Gli studiosi stanno ancora discutendo sull'origine di questo progressivo cambiamento di struttura, che ha portato ad un aumento del livello di organizzazione. Molte teorie sono state proposte per l'origine degli organismi a sangue caldo. Alcuni ricercatori ammettono che anche i dinosauri potrebbero avere questa caratteristica. Ma con tutti i disaccordi degli scienziati, una cosa è certa: la comparsa di organismi omoiotermici è un fenomeno bioenergetico. E la complicazione delle forme di vita è associata al miglioramento funzionale dei meccanismi di trasferimento del calore.
Compensazione della temperatura
La capacità di alcuni organismi poichilotermici di mantenere un livello costante di processi metabolici in un'ampia gamma di variazioni della temperatura corporea è fornita da adattamenti biochimici ed è chiamata compensazione della temperatura. Si basa sulla capacità di alcuni enzimi di cambiare la loro configurazione al diminuire della temperatura e aumentare la loro affinità con il substrato, aumentando la velocità delle reazioni. Ad esempio, nei bivalvi le cozzeNel Mare di Barents il consumo di ossigeno non dipende dalla temperatura ambiente, che va da 25 °C (+5 a +30 °C).
Moduli intermedi
I biologi evoluzionisti hanno trovato gli stessi rappresentanti di forme di transizione dai mammiferi poichilotermici a quelli a sangue caldo. I biologi canadesi della Brock University hanno scoperto il sangue caldo stagionale nel tegu bianco e nero argentino (Alvator merianae). Questa lucertola di quasi un metro vive in Sud America. Come la maggior parte dei rettili, il tegu si crogiola al sole durante il giorno e si nasconde nelle tane e nelle caverne di notte, dove si raffredda. Ma durante la stagione riproduttiva da settembre a ottobre, la temperatura del tegu, la frequenza respiratoria e il ritmo delle contrazioni cardiache al mattino aumentano notevolmente. La temperatura corporea di una lucertola può superare di dieci gradi la temperatura in una grotta. Ciò dimostra la transizione delle forme dagli animali a sangue freddo agli animali omoitermici.
Meccanismi di termoregolazione
Gli organismi omoiotermici lavorano sempre per garantire il funzionamento dei principali sistemi - circolatorio, respiratorio, escretore - generando un minimo di produzione di calore. Questo minimo prodotto a riposo è chiamato metabolismo basale. La transizione allo stato attivo negli animali a sangue caldo aumenta la produzione di calore e hanno bisogno di meccanismi per aumentare il trasferimento di calore per prevenire la denaturazione delle proteine.
Il processo per raggiungere un equilibrio tra questi processi è fornito dalla termoregolazione chimica e fisica. Questi meccanismi forniscono protezione degli organismi omoiotermici dalle basse temperature esurriscaldamento. I meccanismi per mantenere una temperatura corporea costante (termoregolazione chimica e fisica) hanno origini diverse e sono molto diversi.
Termoregolazione chimica
In risposta ad una diminuzione della temperatura ambientale, gli animali a sangue caldo aumentano di riflesso la produzione di calore endogeno. Ciò si ottiene aumentando i processi ossidativi, specialmente nei tessuti muscolari. La contrazione muscolare non coordinata (tremore) e il tono termoregolatore sono le prime fasi dell'aumento della produzione di calore. Allo stesso tempo, il metabolismo lipidico aumenta e il tessuto adiposo diventa la chiave per una migliore termoregolazione. I mammiferi in un clima freddo hanno anche grasso bruno, tutto il calore della cui ossidazione va a riscaldare il corpo. Questo dispendio energetico richiede all'animale di consumare una grande quantità di cibo o di avere notevoli riserve di grasso. Con la mancanza di queste risorse, la termoregolazione chimica ha i suoi limiti.
Meccanismi di termoregolazione fisica
Questo tipo di termoregolazione non richiede costi aggiuntivi per la generazione del calore, ma viene effettuata preservando il calore endogeno. Viene effettuato per evaporazione (sudorazione), irraggiamento (radiazioni), conduzione del calore (conduzione) e convezione della pelle. Metodi di termoregolazione fisica si sono sviluppati nel corso dell'evoluzione e stanno diventando sempre più perfetti quando si studiano le serie filogenetiche dagli insettivori e pipistrelli ai mammiferi.
Un esempio di tale regolazione è il restringimento o l'espansione dei capillari sanguigni della pelle, che cambiaconducibilità termica, proprietà termoisolanti della pelliccia e delle piume, scambio termico controcorrente del sangue tra vasi superficiali e vasi degli organi interni. La dissipazione del calore è regolata dall'inclinazione dei peli e delle piume della pelliccia, tra i quali viene mantenuto un traferro.
Nei mammiferi marini, il grasso sottocutaneo è distribuito in tutto il corpo, proteggendo il calore endogeno. Ad esempio, nei sigilli, un sacco di grasso raggiunge fino al 50% del peso totale. Ecco perché la neve non si scioglie per ore sotto le foche sdraiate sul ghiaccio. Per gli animali che vivono in climi caldi, una distribuzione uniforme del grasso corporeo su tutta la superficie del corpo sarebbe fatale. Pertanto, il loro grasso si accumula solo in alcune parti del corpo (la gobba di un cammello, la coda grassa di una pecora), il che non impedisce l'evaporazione dall'intera superficie del corpo. Inoltre, gli animali del clima freddo settentrionale hanno uno speciale tessuto adiposo (grasso bruno), che viene completamente utilizzato per il riscaldamento del corpo.
Più a sud: orecchie più grandi e gambe più lunghe
Diverse parti del corpo sono tutt' altro che equivalenti in termini di trasferimento di calore. Per mantenere il trasferimento di calore, il rapporto tra la superficie corporea e il suo volume è importante, perché il volume del calore interno dipende dalla massa del corpo e il trasferimento di calore avviene attraverso i tegumenti. Le parti sporgenti del corpo hanno un'ampia superficie, che va bene per i climi caldi, dove gli animali a sangue caldo hanno bisogno di molto trasferimento di calore. Ad esempio, le orecchie grandi con molti vasi sanguigni, gli arti lunghi e la coda sono tipiche degli abitanti di un clima caldo (elefante, volpe fennec,jerboa dalle orecchie lunghe). In condizioni di freddo, l'adattamento segue il percorso del risparmio dell'area in volume (orecchie e coda delle foche).
C'è un' altra legge per gli animali a sangue caldo: più a nord vivono i rappresentanti di un gruppo filogenetico, più sono grandi. E questo è anche collegato al rapporto tra il volume della superficie di evaporazione e, di conseguenza, la perdita di calore e la massa dell'animale.
Etologia e trasferimento di calore
Anche le caratteristiche comportamentali giocano un ruolo importante nei processi di trasferimento del calore, sia per gli animali poichilotermici che per quelli omeotermici. Ciò include cambiamenti nella postura, la costruzione di rifugi e varie migrazioni. Maggiore è la profondità del foro, più regolare sarà l'andamento delle temperature. Per le medie latitudini, a una profondità di 1,5 metri, le fluttuazioni stagionali della temperatura sono impercettibili.
Il comportamento di gruppo viene utilizzato anche per la termoregolazione. Quindi, i pinguini si rannicchiano insieme, aggrappandosi strettamente l'uno all' altro. All'interno del cumulo la temperatura è vicina a quella corporea dei pinguini (+37°C) anche nelle gelate più forti. I cammelli fanno lo stesso: al centro del gruppo la temperatura è di circa +39 °C e la pelliccia degli animali più esterni può essere riscaldata fino a +70 °C.
L'ibernazione è una strategia speciale
Lo stato torpido (stupore) o ibernazione sono strategie speciali degli animali a sangue caldo che consentono di utilizzare i cambiamenti della temperatura corporea per scopi adattativi. In questo stato, gli animali smettono di mantenere la temperatura corporea e la riducono quasi a zero. L'ibernazione è caratterizzata da una diminuzione del tasso metabolico econsumo delle risorse accumulate. Questo è uno stato fisiologico ben regolato, quando i meccanismi di termoregolazione passano a un livello inferiore: la frequenza cardiaca diminuisce (ad esempio, in un ghiro da 450 a 35 battiti al minuto), il consumo di ossigeno diminuisce di 20-100 volte.
Il risveglio richiede energia e avviene per autoriscaldamento, che non va confuso con lo stupore degli animali a sangue freddo, dove è causato da una diminuzione della temperatura ambiente ed è uno stato non regolato dal corpo stesso (risveglio avviene sotto l'influenza di fattori esterni).
Anche lo stupore è uno stato regolato, ma la temperatura corporea scende solo di pochi gradi e spesso accompagna i ritmi circadiani. Ad esempio, i colibrì diventano insensibili di notte quando la loro temperatura corporea scende da 40°C a 18°C. Ci sono molte transizioni tra torpore e letargo. Quindi, sebbene chiamiamo il sonno degli orsi in letargo invernale, in effetti, il loro metabolismo diminuisce leggermente e la loro temperatura corporea scende di soli 3-6 ° C. È in questo stato che l'orsa partorisce i cuccioli.
Perché ci sono pochi organismi omoiotermici nell'ambiente acquatico
Tra gli idrobionti (organismi che vivono nell'ambiente acquatico) ci sono pochi rappresentanti di animali a sangue caldo. Balene, delfini, foche sono animali acquatici secondari che sono tornati nell'ambiente acquatico dalla terraferma. Il sangue caldo è associato principalmente ad un aumento dei processi metabolici, la cui base sono le reazioni di ossidazione. E l'ossigeno gioca un ruolo importante qui. E, come sai, dentronell'ambiente acquatico, il contenuto di ossigeno non è superiore all'1% in volume. La diffusione dell'ossigeno nell'acqua è migliaia di volte inferiore rispetto all'aria, il che lo rende ancora meno disponibile. Inoltre, con l'aumento della temperatura e l'arricchimento dell'acqua con composti organici, il contenuto di ossigeno diminuisce. Tutto ciò rende energeticamente sfavorevole l'esistenza di un gran numero di organismi a sangue caldo nell'ambiente acquatico.
Pro e contro
Il principale vantaggio degli animali a sangue caldo rispetto a quelli a sangue freddo è la loro disponibilità ad agire indipendentemente dalla temperatura ambiente. Questa è un'opportunità per resistere a temperature notturne vicine allo zero e allo sviluppo dei territori settentrionali della terra.
Lo svantaggio principale del sangue caldo è l'elevato consumo di energia per mantenere una temperatura corporea costante. E la fonte principale di questo è il cibo. Un leone a sangue caldo ha bisogno di dieci volte più cibo di un coccodrillo a sangue freddo dello stesso peso.
