Температурные адаптации растений и животных: Температурные адаптации растений и животных

Биология: Температура как экологический фактор

1. а) Животные, температура тела которых непостоянна и зависит от температуры окружающей среды: пойкилотермные, гомойотермные, стенобионтные (нужное подчеркните).

б) Животные, которые способны поддерживать постоянную температуру тела благодаря интенсивному обмену веществ, появлению теплоизолирующих покровов и выработке особых механизмов ее регуляции: пойкилотермные, гомойотермные, стенобионтные (нужное подчеркните).

2. Закончите предложения, вписав необходимые термины или понятия.

а) Состояние живых организмов, при котором все жизненные процессы почти прекращены или настолько снижены, что видимые проявления жизни отсутствуют, — анабиоз.

б) Растения, па которые губительно действуют низкие положительные температуры (ниже 6 °С), — теплолюбивые.

в) Растения, способные длительное время переносить низкие положительные температуры (от 0 до 6—9 °С), — холодостойкие.

г) Растения, способные переносить кратковременные заморозки, а при соответствующей подготовке — длительные морозы, — мезотермные.

3. Какое влияние оказывает температура на процессы жизнедеятельности организмов?

Температура ускоряет или замедляет процесс жизнедеятельности организмов.

4. Из перечисленных ниже животных выберите пойкилотермных: белка, еж обыкновенный, императорский пингвин, крот обыкновенный, коала,сельдь, бокоплав, мокрица, саламандра, гавиал, печеночный сосальщик, рыжая вечерница. соболь, чесночница обыкновенная (нужное подчеркните).

Поясните ваш выбор.

Гомойотермными могут быть только птицы и млекопитающие.

5. Заполните таблицу.

Адаптации растений и животных к разным температурным условиям

Сделайте вывод о сходстве и различиях в адаптациях растений и животных к сходным температурным условиям.

Механизм адаптации к температурам у растения и животных схожий. При низкой температуре растения накапливают углеводы, а животные — жир.

6. У австралийских эвкалиптов листья повернуты ребром к солнцу, а у некоторых тропических растений при температуре выше 35 °С листочки складываются вдвое. Объясните, с чем связаны эти явления.

Это связано с экономией влаги: запасы воды испаряются медленнее на меньше по площади поверхности.

7. Как вы думаете, почему во время переохлаждения млекопитающие, в том числе и человек, начинают дрожать? Ответ поясните.

При дрожании мышц выделяется тепловая энергия, которая согревает тело организма.

Адаптация гидробионтов к существованию в условиях высоких широт | Кауфман

Александров В. Я. Клетки, макромолекулы и температура Л.: Наука, 1975. 253 с.

Александров В. Я. Реактивность клеток и белки. Л.: Наука, 1985. 317 с.

Амосова И. С. Отбор синей мясной мухи Calliphora eritrocephala по признаку теплоустойчивости мышечной ткани // Изменчивость теплоустойчивости клеток животных в онтофилогенезе. Л., 1967. С. 66–70.

Аранович Т. М., Дорошев С. И., Спекторова Л. В. Биологические особенности эмбрионального и личиночного развития беломорских рыб // Биология промысловых рыб и беспозвоночных на ранних стадиях развития. Мурманск: ПИНРО, 1974. С. 9–11.

Барашков Г. К. Химия водорослей. М., 1963. 143 с.

Библь Р. Цитологические основы экологии растений. М., 1965. 463 с.

Богоров В. Г. Географические изменения жирности планктона в океане // ДАН СССР, 1960. Т. 134, № 6. С. 1441–1442.

Богоров В. Г., Виноградов М. Е. Распределение биомассы зоопланктона в центральной части Тихого океана // Тр. Всесоюз. гидробиол. общ. 1960. Т. 10. С. 208–223.

Вассер С. П., Кондратьева Н. В., Масюк Н. П. и др. Водоросли. Киев, 1989. 608 с.

Виленкин Б. Я. Влияние температуры на морских животных // Океанология. Биология океана. Т. 1. Биологическая структура океана. Л., 1977. С. 18–25.

Виноградова З. А. Биохимические аспекты изучения морского планктона // Вопросы биогеографии. Киев: Наукова думка, 1967. С. 52–58.

Галковская Г. А., Сущеня Л. М. Рост водных животных при переменных температурах. Минск, 1978. 143 с.

Гапочка Л. Д. Об адаптациях водорослей. М.: МГУ, 1981. 80 с.

Голиков А. Н. Изменение внутривидовой пластичности в процессе эволюции и некоторые вопросы видообразования // Теоретич. вопросы систематики и филогении животных. Л., 1974. С. 174–209.

Голленбах М. М. Водоросли снега и льда // Жизнь растений. М.: Просвещение, 1977. Т. 3. С. 68–70.

Догель В. А., Полянский Ю. И., Хейсин Е. М. Общая протистология. М.; Л., 1962. 592 с.

Джон Б. Планета Земля и холодные интервалы ее истории // Зимы нашей планеты. М., 1982а. С. 13–32.

Джон Б. Великий пермско-каменноугольный ледниковый период // Там же. 1982б. С. 194–219.

Жирмунский А. В. Вопросы цитоэкологии // Руководство по цитологии. М.; Л.: Наука, 1966. Т. 2. С. 623–637.

Захваткин А. А. Сравнительная эмбриология низших беспозвоночных. М., 1949. 395 с.

Зенкевич Л. А. О древности возникновения холодноводной морской фауны и флоры // Тр. Ин-та океанологии. 1949. Т. 3. С. 191–199.

Зенкевич Л. А. Жизнь в глубинах океана // Природа. 1952. № 6. С. 60–64.

Зернов С. А. Общая гидробиология. М.; Л.: АН СССР, 1949. 588 с.

Иевлева И. В. Влияние температуры на скорость метаболизма пойкилотермных животных // Усп. совр. биол., 1972. Т. 73, № 1. С. 134–155.

Иевлева И. В. Температурная среда и скорость энергетического обмена у водных животных. Киев, 1981. 232 с.

Камшилов М. И. К вопросу об отборе на холодоустойчивость // Журн. общ. биол. 1941. Т. 11, № 2. С. 221–228.

Карамушко Л. И. Метаболические адаптации рыб высоких широт // ДАН СССР. 2001. Т. 379, № 2. С. 279–284.

Карамушко Л. И. Биоэнергетика рыб северных морей: автореф. дис. … докт. биол. наук. М., 2005. 39 с.

Карамушко Л. И. Биоэнергетика рыб северных морей. М., 2007. 266 с.

Карамушко Л. И., Шатуновский М. И. Активный обмен и метаболический диапазон у рыб высоких широт // Усп. совр. биол. 2009. Т. 129, № 2. С. 167–180.

Кауфман З. С. Теплоустойчивость мышечной ткани некоторых рыб Белого моря в связи с температурными условиями их существования // Цитология. 1965. Т. 7, № 5. С. 655–657.

Кауфман З. С. Механизмы некоторых адаптаций пойкилотермных животных к существованию в условиях полярных вод // Материалы 16-й конференции по изучению внутренних водоемов Прибалтики. Петрозаводск. 1971. С. 119–121.

Кауфман З. С. Связь полового цикла морских беспозвоночных с температурным фактором среды // Отчетная научная сессия Зоологического института АН СССР по итогам работ 1971 г. Л., 1972. С. 14–15.

Кауфман З. С. Зависимость состава желтка яиц морских беспозвоночных от температуры среды и некоторые вопросы эволюционной морфологии // 9 сес. учен. совета по проблеме: Биол. ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера. Петрозаводск, 1974а. С. 236–238.

Кауфман З. С. Половые циклы и гаметогенез беспозвоночных Белого моря // Исследования фауны морей. Л., 1974б. Т. 13 (21). С. 191–271.

Кауфман З. С. Экологические закономерности нереста массовых видов беломорских беспозвоночных // Зоол. журн. 1976а. Т. 55. Вып. 1. С. 5–16.

Кауфман З. С. Зависимость оогенеза от температурного фактора среды и некоторые вопросы эволюционной морфологии // Журн. общ. биол. 1976б. Т. 37, № 2. С. 263–275.

Кауфман З. С. Зависимость гаметогенеза морских шельфовых беспозвоночных от температуры воды // Журн. общ. биол. 1976в. Т. 37, № 6. С. 912–916.

Кауфман З. С. Особенности половых циклов беломорских беспозвоночных как адаптация к существованию в условиях высоких широт. Л.: Наука, 1977. 265 с.

Ковалев Н. Н. Холинэстеразы – биохимические механизмы адаптации гидробионтов: автореф. дис. … докт. биол. наук. Владивосток, 2003. 36 с.

Ковалева Н. Е. Влияние температуры культивации на чувствительность инфузорий к повреждающему действию рентгеновских лучей // Цитология. 1962. Т. 4, № 3. С. 306–317.

Константинов А. С. Общая гидробиология. М.: Высшая школа, 1986. 470 с.

Костецкий Э. Я., Борода А. В., Одинцова Н. А. Изменения липидного состава эмбриональных клеток мидий Mytilus trossulus в процессе криоконсервации // Биофизика. 2008. Т. 53, № 4. С. 658–665.

Крепс Е. М. Клеточные липиды и их роль в адаптации водных организмов к условиям существования // Физиол. и биохим. морских и пресноводных животных. Л., 1979. С. 3–21.

Крепс Е. М. Липиды клеточных мембран. Л., 1981. 339 с.

Кретович В. Л. Основы биохимии растений. М.: Высш. школа, 1971. 464 с.

Кузнецов В. А. Астатичность факторов среды как экологический оптимум для гидробионтов: автореф. дис. … докт. биол. наук. Саранск, 2005. 37 с.

Кузнецов В. В. Белое море и биологические особенности его флоры и фауны. М.; Л.: АН СССР. 1960. 322 с.

Лозина-Лозинский Л. К. Очерки по криобиологии (адаптация и устойчивость организмов и клеток к низким и сверхнизким температурам). Л., 1972. 288 с.

Лютова М. И., Завадская И. Г., Лукницкая А. Ф. , Фельдман Н. Л. Температурная адаптация клеток морских и пресноводных водорослей // Клетка и температура среды. М.; Л., 1964. С. 115–119.

Лютова М. И., Фельдман Н. Л. Исследования способности к температурной адаптации у некоторых морских водорослей // Цитология. 1960. Т. 2, № 6. С. 699–709.

Лютова М. И., Фельдман Н. Л. Температурные адаптации клеток морских и пресноводных водорослей // Роль клеточных реакций в приспособлении многоклеточных организмов к температуре среды: тез. докл. М.; Л., 1963. С. 48–50.

Лютова М. И., Фельдман Н. Л., Дробышев В. П. Изменение температурной устойчивости морских водорослей в зависимости от температурных условий среды // Цитология. 1968. Т. 10, № 12. С. 1538–1545.

Мельников И. А. Экосистема арктического морского льда. М.: Наука, 1989. 191 с.

Меримен Г. Т. Механизмы устойчивости пойкилотермных животных к действию температур, близких к замораживанию // Клетка и температура среды. М.; Л., 1964. С. 81–85.

Мурзина С. А. Роль липидов и их жирнокислотных компонентов в биохимических адаптациях люмпена

пятнистого Leptoclinus maculatus F. северо-западного побережья о. Шпицберген: дис. … канд. биол.наук. Петрозаводск, 2010. 184 с.

Мурзина С. А., Нефедова З. С., Немова Н. Н. Влияние жирных кислот (маркеров пищевых источников рыб) на механизмы адаптации в условиях высоких широт (Обзор) // Тр. КарНЦ РАН. 2012. № 2. С. 18–25.

Никольский Г. В. Пути повышения продуктивности биосферы на примере популяций водных промысловых организмов // Зоол. журн. 1964. Т. 43, вып. 3. С. 398–408.

Озернюк Н. Д. Механизмы адаптаций. М.: Наука, 1992. 272 с.

Озернюк Н. Д. Температурные адаптации. М.: МГУ, 2000. 205 с.

Озернюк Н. Д. Феноменология и механизмы адаптационных процессов. М.: МГУ, 2003а. 215 с.

Озернюк Н. Д. Температурные границы жизни // Природа. 2003б. № 4. С. 457–462.

Перес Ж. Жизнь в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 287 с.

Полянский Ю. И. О стойкости зародышей некоторых морских брюхоногих моллюсков к низким температурам // ДАН СССР. 1950. Т. 72, № 6. С. 1179–1181.

Полянский Ю. И. Стойкость к отрицательным температурам некоторых литоральных и сублиторальных моллюсков Баренцева моря на эмбриональ ных и постэмбриональных стадиях развития // Тр. Мурм. биол. станции. 1955. Т. 2. С. 17–31.

Полянский Ю. И. Зависимость содержания гликогена и жира в цитоплазме Paramecium caudatum от температуры // Морфология и физиология простейших. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 102–110.

Расс Т. С. Некоторые закономерности в строении икринок и личинок рыб в северных водах // ДАН СССР. 1935. Т. 2, № 8–9. С. 597–601.

Расс Т. С. Географические параллелизмы в строении и развитии костистых рыб северных морей. М.:

МОИП, 1941. С. 5–60.

Рубцов И. А. О неравномерности темпа эволюции // Журн. общ. биол. 1945. Т. 6, № 6. С. 411–441.

Самышев Э. З. Биохимический состав и калорийность планктона (Сopepoda) Гвинейского залива // Продуктивная зона экваториальной Атлантики и условия ее формирования. Калининград: АтлантНИРО, 1971. С. 272–351.

Суханова К. М. Цитофизиологическая характеристика жизненных циклов инфузорий рода Balantidium из амфибий // Вопросы цитологии и протистологии. М.; Л.: АН СССР, 1960. С. 285–312.

Суханова К. М. Температурные адаптации у простейших. Л.: Наука, 1968. 267 с.

Сущеня Л. М. Рост водных животных в условиях колеблющихся температур // Тр. Всес. гидробиол. об-ва. 1978. Т. 22. С. 140–150.

Ушаков Б. П. Анализ теплоустойчивости клеток и белков пойкилотермных животных в связи с проблемой вида: автореф. дис. … докт. биол. наук. Л., 1964. 70 с.

Ушаков В. Б. Снижение теплоустойчивости белков как фактор прогрессивной эволюции клеточных функций // Журн. эволюц. биохимии и физиологии. 1977. Т. 13, № 5. С. 579–589.

Фельдман Н. Л., Завадская И. Г., Лютова М. И. Исследования температурной устойчивости некоторых морских водорослей в природных условиях и в эксперименте // Цитология. 1963. Т. 5, № 2. С. 125–134.

Фельдман Н. Л., Лютова М. И. Исследования теплоустойчивости клеток некоторых морских трав // Бот. журн. 1962. Т. 47, № 4. С. 542–546.

Хочачка П., Сомеро Дж. Стратегия биохимической адаптации. М.: Мир, 1977. 398 с.

Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 567 с.

Шульман Г. Е. Физиолого-биохимические особенности годовых циклов рыб. М.: Пищ. пром., 1972.

с.

Эмме А. М. О стимулирующем действии низких температур // Усп. сов. биол. 1947. Т. 23, вып. 1.

С. 127–140.

Aarset A. V. Freezing tolerance in intertidal invertebrates (a review) // Comp. Biochem. Physiol. 1982.

Vol. 73. P. 571–580.

Copeman L. A., Parrish C. C. Marine lipids in cold costal ecosystem: Gilbert bay, Labrador // Marine Biology.

Vol. 143. P. 1213–1227.

Cossins A. R., Prosser C. L. Evolutionary adaptation of membranes to temperature // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1978. Vol. 75, No 4. P. 2040–2043.

Dunn J. F. Low-temperature adaptation of oxidative energy production in cold-water fishes // Canad. J. Zool. 1988. Vol. 66. P. 1098–1104.

Ekman S. Tiergeographie des Meeres. Leipzig, 1935.

Harris P. A., James A. Effect of low temperature on fatty acid, biosynthesis in seeds // Biochem. Biophys. Acta. 1969a. Vol. 187. P. 13–18.

Harris P. A., James A. The effect of low temperature on fatty acid biosynthesis in plant // Biochem. J. 1969b. Vol. 187, No 3. P. 325–330.

Hochachka P. W., Hayes F. R. The effect of temperature acclimation on pathways of glucose metabolism in the trout // Canad. J. Zool. 1962. Vol. 40, No 2. P. 261–270.

Kinne O. Temperature. Invertebrates // Mar. ekol. 1970. Vol. 1. Pt. 1. P. 321–348.

Knipprath W. G., Mead J. F. The effect of the environmental temperature on the fatty acid composition and on the in vivo incorporation of 1–14C-acetate in cold fish (Carasius auratus) // Lipids. 1968. Vol. 3, part 2. P. 121–128.

Lascombe C., Pattle E., Bernard C. Le role ekologique de la temperature dans la distribution de deux especes proches parentes de planaires deau douce etude experimentale // Hydrobiol. 1975. Vol. 47. 1.

Morita R. Y. Psychrophilic bacteria // Bacteriol. Rev. 1975. Vol. 39. P. 144–167.

Murphy D. J. Freesing resistance in intertidal invertebrates // Annu. Rev. Physiol. 1983. Vol. 45. P. 289–299.

Pernet F., Trembley R., Gionet Ch., Landry Th. Lipid remodeling in selectively bred hard clams at low temperatures in relation to genetic and physiological parameters // J. Exp. Biol. 2006. Vol. 209. P. 4663–4675.

Pernet F., Trembley R., Comtau L., Guderley H. Temperature adaptation in bivalve species from different thermal habitats: energetics and remodeling of membrane lipids // J. Exp. Biol. 2007. Vol. 210. P. 2999–3014.

Parent G. J., Pernet F., Tremblay R., Sevigny J.-M., Ouellette M. Remodeling of membrane lipids in gills of adult hard clam Mercenaria mercenaria during declining temperature // Aquat. Biol. 2008. Vol. 3. P. 101.

Smith J. Some effects of temperature on the frequency of division and on the volume of starch and fat in Chilomonas paramecium // Biol. Bull. 1940. Vol. 79, No 3. P. 379–396.

Somero G. Thermal Physiology and Vertical Zonation of Intertidal Animals: Optima, Limits, and Costs of Living // Integ. and Comp. Biol. 2002. Vol. 42. P. 780–789.

Storey K., Storey J. Natural freesing survival in animals // Ann. Rev. Ecol. Syst. 1996. Vol. 27. P. 365–386.

Storey K., Storey J. Freeze tolerance // Extremophiles. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the Auspices of the UNESCаO, Eolss Publishers. Oxford.: UK 2005. P. 1–25.

Thorson G. Zur jetziger Lage der marinen Bodentier Okologie // Zool. Anz. 1952, Bd. 16, Supp. S. 276–327.

Williams R. J. Freesing tolerance in Mytilus edulis // Comp. Biochem. Physiol. 1995. Vol. 35. P. 145–161.

Zhinkin L. N. Zur Frage der Reservestoffe bei Infusorien // Ztschr. Morph. u. Okol. Tiere. 1930. Bd. 18. L. 1–2. S. 199–207.

5 Значимые температурные адаптации растений и животных

Большинство животных и растений, обитающих в различных экологических средах, в ходе эволюции выработали различные виды тепловых приспособлений для преодоления вредного воздействия экстремальных температур.

Изображение предоставлено: ajunglescientist.files.wordpress.com/2013/10/cajas-spiky-plant.jpg

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

Ниже приведены некоторые важные температурные приспособления растений и животных:

1. Образование жаростойких спор, цист, семян и т. д.:

Некоторые животные и растения производят термостойкие цисты, яйца, куколки, споры и семена, которые могут переносить экстремальные температуры. Амеба в инцистированном состоянии может переносить температуру ниже 0°С. Точно так же семена ржи остаются активными даже при 0°C и могут прорастать при этой температуре. В качестве приспособления к морозу крахмал растений осенью превращается в жиры или масла.

Жирные масла снижают температуру замерзания и, таким образом, повышают устойчивость растений к морозу. Многие листья, растущие в самых холодных краях, запасают жиры. Слизь пентозанов и пектиновые вещества, обладающие высокой влагоудерживающей способностью, в изобилии содержатся во многих растениях. Они уменьшают опасность засыхания растений при сильной жаре и спасают их от гибели.

2. Удаление воды из тканей:

Высушенные семена, споры и цисты не замерзают, потому что в них не остается жидкости, которая может замерзнуть. В связи с удалением воды из семян холодостойкость семян некоторых растений повышается вплоть до экспонирования их в течение 3 недель до 190°С, не снижает их всхожести.

3. Покой:

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

Покой включает в себя два уже обсуждавшихся явления, а именно гибернацию и бессонницу. Во время обоих видов сна снижается скорость обмена веществ, снижается температура тела и снижается частота сердечных сокращений.

4. Тепловые миграции:

Тепловые миграции бывают только у животных. Путешествия, совершаемые животными, которые позволяют им убежать от очень жарких или холодных условий, называются тепловыми миграциями. Например, пустынные животные перемещаются в затененные места, чтобы избежать палящего полуденного зноя, а некоторые животные, такие как пустынные рептилии и змеи, ведут ночной образ жизни, чтобы избежать дневной жары. Лягушки, жабы, другие земноводные, черепахи и т. д. совершают короткие переходы в воду (или во влажные места) и из нее, что обеспечивает желаемое охлаждение и согревание животного.

5. Акклиматизация:

Организмы могут изменять свою реакцию на стресс окружающей среды даже в течение жизни. Очевидно, такое изменение не является генетическим и называется акклиматизацией. Обнаженные мужчины, подвергшиеся воздействию умеренно низких температур, сильно дрожат. Однако после нескольких недель воздействия эта реакция снижается, и они лучше переносят холод.

В течение нескольких дней после перемещения с малой высоты на большую у людей увеличивается количество эритроцитов в крови. Красные клетки переносят кислород, поэтому эти люди могут переносить более низкий уровень кислорода в воздухе на больших высотах без признаков стресса. Акклиматизация — важное оружие в арсенале организма, пытающегося сохранить гомеостаз.

Короткие температурные адаптации

4 Последовательные стадии процесса первичной автотрофной экологической сукцессии

3 Наиболее важные типы биологических переменных

Реакция растений и животных на окружающую среду

Цели обучения

1. Различать терморегуляторов, классифицируемых как эндотермы и экзотермы, гомеотермы, гетеротермы и пойкилотермы
2. Объясните механизмы, которые животные используют для регулирования температуры тела, включая: циркуляторную адаптацию, метаболическую активность, изоляцию, оцепенение и поведенческие адаптации, использующие процессы проводимости, конвекции, излучения и испарения.
3. Опишите механизмы, используемые растениями для преодоления временной засухи и наводнения
4. Опишите фотосинтетическую адаптацию растений С4 и САМ к засушливым условиям

Приведенная ниже информация была адаптирована из OpenStax Biology 33.3

Органы и системы органов животных постоянно приспосабливаются к внутренним и внешним изменениям посредством процесса, называемого гомеостазом («устойчивое состояние»). Эти изменения могут быть в уровне глюкозы или кальция в крови или во внешней температуре. Гомеостаз означает поддержание динамического равновесия в организме. Он динамичен, потому что постоянно приспосабливается к изменениям, с которыми сталкиваются системы организма. Это равновесие, потому что функции организма поддерживаются в определенных пределах. Даже внешне неактивное животное поддерживает это гомеостатическое равновесие.

Целью гомеостаза является поддержание равновесия вокруг точки или значения, называемого заданным значением. Несмотря на нормальные отклонения от заданной точки, системы организма обычно пытаются вернуться к этой точке. Изменение внутренней или внешней среды называется раздражителем и улавливается рецептором; реакция системы заключается в корректировке параметра отклонения в сторону заданного значения. Например, если тело становится слишком теплым, вносятся коррективы, чтобы охладить животное. Если уровень глюкозы в крови повышается после еды, вносятся коррективы, чтобы снизить уровень глюкозы в крови, доставляя питательное вещество в ткани, которые в нем нуждаются, или сохраняя его для последующего использования.

Когда в окружающей среде животного происходит изменение, необходимо внести коррективы. Рецептор ощущает изменение в окружающей среде, затем посылает сигнал в центр управления (в большинстве случаев в мозг), который, в свою очередь, генерирует ответ, который передается эффектору. Эффектор представляет собой мышцу (сокращающуюся или расслабляющуюся) или секретирующую железу. Гомеостаз поддерживается петлями отрицательной обратной связи. Петли положительной обратной связи фактически выталкивают организм еще дальше из гомеостаза, но могут быть необходимы для возникновения жизни. Гомеостаз контролируется нервной и эндокринной системой млекопитающих.

Механизмы отрицательной обратной связи

Любой гомеостатический процесс, изменяющий направление раздражителя, представляет собой петлю отрицательной обратной связи. Он может усиливать или ослаблять стимул, но стимул не может продолжаться так, как это было до того, как рецептор его почувствовал. Другими словами, если уровень слишком высок, тело делает что-то, чтобы понизить его, и наоборот, если уровень слишком низок, тело делает что-то, чтобы поднять его. Отсюда и термин «отрицательная обратная связь». Вспомните поддержание уровня глюкозы в крови у животных: когда животное поело, уровень глюкозы в крови повышается. Это ощущается нервной системой. Это чувствуют специализированные клетки поджелудочной железы, и эндокринная система вырабатывает гормон инсулин. Инсулин вызывает снижение уровня глюкозы в крови, как и следовало ожидать в системе с отрицательной обратной связью. Однако, если животное не ело и уровень глюкозы в крови снижается, это ощущается другой группой клеток поджелудочной железы, и высвобождается гормон глюкагон, вызывающий повышение уровня глюкозы. Петли отрицательной обратной связи являются преобладающим механизмом, используемым в гомеостазе.

Уровень сахара в крови контролируется петлей отрицательной обратной связи. (кредит: модификация работы Джона Салливана)

Петля положительной обратной связи

Цикл положительной обратной связи поддерживает направление стимула, возможно, ускоряя его. В телах животных существует несколько примеров петель положительной обратной связи, но один из них обнаружен в каскаде химических реакций, которые приводят к свертыванию крови или коагуляции. Когда активируется один фактор свертывания крови, он последовательно активирует следующий фактор, пока не образуется фибриновый сгусток. Направление сохраняется, не меняется, так что это положительная обратная связь. Другой пример положительной обратной связи — сокращения матки во время родов. Гормон окситоцин, вырабатываемый эндокринной системой, стимулирует сокращение матки. Это вызывает боль, воспринимаемую нервной системой. Вместо того, чтобы снижать уровень окситоцина и уменьшать боль, вырабатывается больше окситоцина до тех пор, пока схватки не станут достаточно сильными, чтобы вызвать роды.

Художественное соединение

Рождение человеческого младенца является результатом положительной обратной связи.

Проверьте себя: Укажите, регулируется ли каждый из следующих процессов петлей положительной или отрицательной обратной связи.

1. Человек чувствует себя сытым после обильной еды.
2. В крови много эритроцитов. В результате эритропоэтин, гормон, стимулирующий выработку новых эритроцитов, больше не высвобождается из почек.

Уставка

Можно настроить уставку системы. Когда это происходит, петля обратной связи поддерживает новую настройку. Примером этого является артериальное давление: со временем нормальное или установленное значение артериального давления может повышаться в результате продолжающегося повышения артериального давления. Тело больше не распознает повышение как ненормальное, и не предпринимается никаких попыток вернуться к более низкому заданному значению. Результатом является поддержание повышенного кровяного давления, которое может иметь вредные последствия для организма. Лекарства могут понизить кровяное давление и понизить контрольную точку в системе до более здорового уровня. Это называется процессом изменения уставки в контуре обратной связи.

Изменения могут быть внесены в группу систем органов тела для поддержания заданного значения в другой системе. Это называется акклиматизация. Это происходит, например, когда животное мигрирует на большую высоту, чем оно привыкло. Чтобы приспособиться к более низким уровням кислорода на новой высоте, организм увеличивает количество эритроцитов, циркулирующих в крови, чтобы обеспечить адекватную доставку кислорода к тканям. Другим примером акклиматизации являются животные, шерсть которых подвержена сезонным изменениям: более толстая шерсть зимой обеспечивает достаточное сохранение тепла, а легкая шерсть летом помогает удерживать температуру тела от повышения до опасного уровня.

Температура тела влияет на активность организма. Как правило, с повышением температуры тела активность ферментов также повышается. При повышении температуры на каждые десять градусов по Цельсию активность ферментов удваивается до определенного предела. Белки тела, в том числе ферменты, начинают денатурировать и терять свои функции при высокой температуре (около 50 90 116 o 90 117 C для млекопитающих). Ферментативная активность будет уменьшаться наполовину на каждые десять градусов по Цельсию понижения температуры, вплоть до точки замерзания, за некоторыми исключениями. Некоторые рыбы могут выдерживать замораживание в твердом состоянии и возвращаться к нормальному состоянию при оттаивании.

Посмотрите это видео канала Discovery о терморегуляции, чтобы увидеть иллюстрации этого процесса у различных животных:

Животных можно разделить на две группы: одни сохраняют постоянную температуру тела при различных температурах окружающей среды, в то время как у других температура тела такая же, как и у их окружающей среды, и, таким образом, изменяется в зависимости от окружающей среды. Животные, которые не контролируют температуру своего тела, являются экзотермами. Эту группу называют хладнокровными, но этот термин может не относиться к животным в пустыне с очень теплой температурой тела. В отличие от эктотермов, которые полагаются на внешнюю температуру для установки температуры своего тела, пойкилотермы — это животные с постоянно меняющейся внутренней температурой. Животное, сохраняющее постоянную температуру тела при изменении окружающей среды, называется гомойотермом. Эндотермы — это животные, которые полагаются на внутренние источники температуры тела, но могут проявлять экстремальные температуры. Эти животные способны поддерживать уровень активности при более низкой температуре, чего не может сделать экзотерм из-за разного уровня активности ферментов.

Теплообмен между животным и окружающей средой может осуществляться четырьмя механизмами: излучением, испарением, конвекцией и теплопроводностью. Радиация – это излучение электромагнитных «тепловых» волн. Таким образом, тепло исходит от солнца и точно так же излучается от сухой кожи. Тепло может отводиться жидкостью от поверхности при испарении. Это происходит, когда млекопитающее потеет. Конвекционные потоки воздуха отводят тепло от поверхности сухой кожи при прохождении над ней воздуха. Тепло будет передаваться от одной поверхности к другой во время прямого контакта с поверхностями, например, когда животное отдыхает на теплом камне.

Теплообмен может осуществляться четырьмя механизмами: (а) излучением, (б) испарением, (в) конвекцией или (г) теплопроводностью. (кредит b: модификация работы «Kullez»/Flickr; кредит c: модификация работы Чада Розенталя; кредит d: модификация работы «stacey. d»/Flickr)

Животные сохраняют или рассеивают тепло различными способами. В определенных климатических условиях у эндотермических животных есть какая-то форма изоляции, такая как мех, жир, перья или их комбинация. Животные с густым мехом или перьями создают изолирующий слой воздуха между кожей и внутренними органами. Белые медведи и тюлени живут и плавают в условиях минусовой температуры и при этом поддерживают постоянную теплую температуру тела. Песец, например, использует свой пушистый хвост в качестве дополнительной теплоизоляции, когда ложится спать в холодную погоду. У млекопитающих наблюдается остаточный эффект от дрожи и повышенной мышечной активности: мышцы, выпрямляющие волосы, вызывают «гусиную кожу», заставляя маленькие волоски вставать дыбом, когда человеку холодно; это имеет предполагаемый эффект повышения температуры тела. Млекопитающие используют слои жира для достижения той же цели. Потеря значительного количества жира в организме ставит под угрозу способность человека сохранять тепло.

Эндотермы используют свою систему кровообращения для поддержания температуры тела. Вазодилатация приносит больше крови и тепла к поверхности тела, способствуя излучению и потере тепла за счет испарения, что способствует охлаждению тела. Вазоконстрикция уменьшает кровоток в периферических кровеносных сосудах, направляя кровь к центру и находящимся там жизненно важным органам и сохраняя тепло. У некоторых животных есть приспособления к системе кровообращения, которые позволяют им передавать тепло от артерий к венам, согревая кровь, возвращающуюся к сердцу. Это называется противоточным теплообменом; препятствует охлаждению сердца и других внутренних органов холодной венозной кровью. Эта адаптация может быть отключена у некоторых животных, чтобы предотвратить перегрев внутренних органов. Противоточная адаптация встречается у многих животных, включая дельфинов, акул, костистых рыб, пчел и колибри. Напротив, аналогичные приспособления могут при необходимости помочь охладить эндотермы, например, трематоды дельфинов и уши слона.

Некоторые экзотермические животные используют изменения в своем поведении, чтобы регулировать температуру тела. Например, пустынное экзотермическое животное может просто искать более прохладные места в самое жаркое время дня в пустыне, чтобы не перегреться. Одни и те же животные могут забираться на скалы, чтобы согреться холодной ночью в пустыне. Некоторые животные ищут воду, чтобы способствовать испарению и охлаждению, как это видно на примере рептилий. Другие экзотермы используют групповую деятельность, такую ​​как активность пчел, чтобы согреть улей, чтобы пережить зиму.

Многие животные, особенно млекопитающие, используют отработанное метаболическое тепло в качестве источника тепла. Когда мышцы сокращаются, большая часть энергии АТФ, используемой в мышечных движениях, тратится впустую и превращается в тепло. Сильный холод вызывает рефлекс дрожи, который выделяет тепло для тела. У многих видов также есть тип жировой ткани, называемый бурым жиром, который специализируется на выработке тепла.

В этом видео представлен обзор различий между теплопроводностью, конвекцией и излучением:

А это видео описывает различия между хладнокровными и теплокровными животными:

Кроме того, регуляция температуры тела может осуществляться с учетом относительной разницы между внутренней и внешней температурой. Гомеотермы  поддерживают относительно постоянную температуру тела при изменении внешней температуры (гомео=’одинаковая’), тогда как Гетеротермы  обычно поддерживают относительно постоянную температуру тела, но имеют определенные периоды, когда температура тела колеблется в зависимости от температуры окружающей среды (например, во время гибернации).