По вечерам, ровно в пять часов, у северной окраины кенийского национального парка Найроби случается магическое и загадочное, на первый взгляд, действо. Служащие развешивают на узловатые ветви кротоновых деревьев яркие шерстяные одеяла. Громко и четко люди выкрикивают: «Калама! Китируа! Оларе!» И тут из зарослей кустарника беспорядочной вереницей выходит группа слонят: восемнадцать коричневых голов с большими висящими ушами. Они медленно подходят и останавливаются у отмеченных цветными одеялами деревьев, а смотрители укрывают каждого слоненка, чтобы согреть его перед возвращением домой, в питомник Найроби, основанный Фондом дикой природы Дэвида Шелдрика. Сюда со всей Кении привозят слонят, многие из которых стали жертвами браконьеров или столкновений с людьми, и выхаживают малышей, пока те не начнут питаться самостоятельно.
У какой птицы самые маленькие яйца?
Вода Эктотермическая в пустыне Вода имеет гораздо более высокую теплоемкость, чем воздух, так что изменение температуры в воде происходит медленнее; однако это не мешает тому, чтобы в течение лета температура воды достигала таких высоких уровней, что они могли быть летальными. Водные организмы должны контролировать свою температуру, перемещаясь в разных температурных зонах.
Все головастики находятся в самой глубокой части, потому что это та самая, которая сохраняет наибольшую жару. В полдень температура слишком высока, поэтому они возвращаются к более глубоким участкам, где они теперь прохладнее. Во второй половине дня температура более или менее одинакова везде, поэтому головастики распределены равномерно, и, наконец, ночью они возвращаются в самую глубокую часть. Замороженные земноводные Амфибии, поддерживающие эти низкие температуры, могут иметь два ответа: первый - спящий в глубоких норах, чтобы защитить их от замерзания; а другой - зимовать в норах не так глубоко, чтобы они не могли избежать этого замораживания.
Маленьким слонятам нужно тепло и помощь их родителей или людей. Они сами еще не умеют согреваться. В дальнейшем, когда слоны подрастают, у них развивается уникальная способность регулировать температуру своего тела. И когда прохладно, и когда очень жарко температура слона хорошо держится в довольно узком интервале около 36 ± 2 °С, т.е близко к температуре человеческого организма. Эта система терморегулирования многие годы была загадкой и предметом изучения ученых биологов. Проблема в том, что для своего огромного веса (до 12 тонн во взрослом состоянии) у слонов относительно небольшая поверхность тела и толстая кожа, чтобы охлаждаться в жару путем конвекции воздуха. Кроме того, у слонов отсутствуют потовые железы, которые играют первостепенную роль в охлаждении некоторых млекопитающих в жаркую погоду. Поэтому есть опасения, что метаболический внутренний механизм поддержания температуры может не справиться с нагрузкой. Между тем, африканские слоны обитают на одной трети территории Африканского континента, причем температура в некоторых местах Намибии и Мали может достигать 50 °С в дневное время.
Однако эти амфибии не умирают в этом процессе, но через механизм, только наблюдаемый в них, они способны оттаивать. Допуск на замораживание связан с образованием кристаллов льда во внеклеточных пространствах. Они также накапливают низкомолекулярные вещества, главным образом глюкозу и глицерин, в клетках, чтобы избежать внутриклеточного замораживания.
Первое - это релаксация гомеостаза13: некоторые эндотермы имеют относительно широкие пределы для гомеостаза. Эти эндотермы способны выживать в пустынях, потому что они способны переносить большие диапазоны температуры или изменения в содержании воды животного. Этот ответ в основном используется крупными животными и напрямую связан с размером. Большое животное не в состоянии избежать неблагоприятных условий пустыни; не могут спрятаться под землей или найти растительность, достаточно изобилующую, чтобы прятаться от солнца. Однако вы можете пройти расстояние дольше, чем мелкие животные, чтобы найти воду и пищу; Кроме того, крупные животные лучше изолированы, чем маленькие, что заставляет их медленно поглощать тепло от окружающей среды. Высокая масса дает животному большую тепловую инерцию. Это означает, что он может поглощать большое количество энергии, прежде чем повышать температуру до опасных уровней. Яркий пример животного, который выполняет все это, - это дромадер, о котором мы расскажем позже. Второе - это уклонение: некоторые эндотермы прибегают во избежание самых суровых условий пустыни, чтобы они обычно не подвергались жизни пустыни во всем правиле, Это обильный отклик у мелких животных, поскольку они могут найти тенистые места или отверстия, где они избегают тепла более легко, чем крупные животные. Их деятельность обычно ночная, поэтому они проводят самую теплую и трудную часть дня и поэтому избегают их последствий. Маленькими млекопитающими, обитающими в пустынных районах, являются грызуны. Третья и последняя специализация: некоторые виды разработали ответы, такие как летаргия15 для нехватки воды или нехватки продовольствия. Многие животные, такие как мелкие птицы или многие грызуны, используют этот ответ для вышеупомянутых ситуаций; например, он может значительно снизить свои ежедневные потребности, впадая в летаргию в течение дня, что означает значительную экономию энергии; фактически имеются расчеты, которые показывают, что потребление энергии этим животным снижается до 45%. Продолжительность этой летаргии часто связана с нехваткой продовольствия: чем больше нехватка пищи, тем больше времени грызун проходит через летаргию. Другим животным, способным выполнять этот процесс, является колибри, которая с рассвета до заката увеличивает потребление кислорода почти в 40 раз, что она потребляет, когда она переходит в летаргию; так как ночь впадает в летаргию, она снижает потребление кислорода на базальные уровни. Вторая основополагающая причина заключается в том, что слой дромадира является чрезвычайно изолирующим, что способствует уменьшению коэффициента усиления тепла из-за окружающей среды.
Долгое время считалось, что главную роль в регулировании температуры тела слона играют большие уши слона. Кожа на ушах у слона очень тонкая, с мелкой сеточкой кровеносных сосудов. В жаркие дни слоны машут ушами, создавая легкий ветерок, который охлаждает поверхностные кровеносные сосуды, и затем уже охлажденная кровь циркулирует по телу. Различия в размере ушей Африканских и Азиатских слонов можно объяснять, частично, их географическим местоположением. Африканцы обитают у экватора, где очень жарко, поэтому у них такие большие уши. Азиаты живут гораздо севернее, и их уши гораздо меньше. Большую роль в охлаждении слона в жару играет также хобот, с помощью которого слоны обливаются водой.
Какой силой могут обладать маленькие животные?
Фактически, если мы разрезаем верблюда или верблюда, потребление воды в нем увеличится на 50%. - Последняя причина заключается в том, что она может выдержать большую потерю воды без последствий. Конечности были под телом, а не по бокам, что указывало на активный образ жизни. - Потомство быстро росло, как и птицы и млекопитающие. - Были некоторые люди, которые обладали структурами, подобными перьям, которые могла бы послужить теплоизоляцией, что было бы полезно для эндотермы, но это затруднило бы эктотерм. Были динозавры, которые колонизировали полярные регионы, в которых не могло сохраниться эктотерм. Они предлагают аэробную модель для эволюции эндотермы.
Однако в 2010 г в журнале Journal of Thermal Biology было опубликовано исследование ученых из университетов Вены, в котором дано альтернативное объяснение терморегуляции слонов. Ученые исследовали изменение температуры шести африканских слонов из зоопарка Вены с помощью инфракрасной камеры. Ученые обнаружили до пятнадцати «горячих окон» на поверхности кожи слонов, которые разбросаны по всему телу. Эти зоны расширяются по мере увеличения температуры среды.
В попытке ответить на следующий вопрос: Каким был механизм естественного отбора, который вызвал увеличение аэробного метаболизма и температуры тела? Другими словами, какова была эндотермия? Первое, что они предлагают, заключается в том, что наличие температуры тела выше температуры окружающей среды является преимуществом, поскольку физиологические процессы более эффективно развиваются при повышенной температуре, чем при более низкой температуре. Более высокая температура тела также обеспечивает более стабильную и эффективную среду для ферментативных реакций и позволяет развивать сложную нервную систему и, в целом, более высокую репродуктивную скорость, чем у не эндотермических животных одинакового размера, что несет в себе последующее преимущество экологический, что предполагает.
Оказалось, что слоны могут регулировать приток крови к охлаждающим зонам, тем самым, снижая температуру крови. Фактически ученые разрушили миф о «толстокожести» слона, обнаружив под кожей очень чувствительный и хорошо управляемый механизм регулирования температуры. Ученые обнаружили также, что управление потоком крови к ушам слона происходит независимо от потока для остальных зон. Уши, безусловно, играют первостепенную роль в терморегулировании слона, но это не единственный механизм терморегулирования.
Аэробная модель основана на том факте, что все эти преимущества, обеспечиваемые эндотермией, основаны на аэробном метаболизме, который обеспечивает высокую активность и взаимосвязь между скоростью метаболизма и максимальной скоростью метаболизма. Метаболическая скорость - это скорость, с которой организм использует имеющуюся энергию. Он оценивается как скорость высвобождения тепла из организма, которая получается путем измерения выделения тепла или скорости потребления кислорода.
Какие птицы умеют летать задом наперед?
Скорость метаболизма возрастает по мере того, как температура увеличивается и уменьшается с понижением температуры. Биохимические процессы определяют местообитания, которые могут занимать животных. У животных термоконформера нет компенсационных механизмов для регулирования температуры тела от изменений окружающей среды. В общем, они имеют уменьшенную теплоизоляцию, которая облегчает обмен тепла с окружающей средой. Подавляющее большинство беспозвоночных, рыбы, амфибии и рептилии принадлежат к этой группе.
Хотелось бы в этой заметке немного больше рассказать о слонах. Это высокоразвитые животные. Любая группа диких слонов - единый и сложно устроенный организм. Слонята растут в большой матриархальной семье, где о них заботятся любящие самки, в первую очередь - родная мать, а также многочисленные сестры, тетки, бабушки и просто подруги. Связи внутри группы крепки и поддерживаются на протяжении всей жизни слона - около семи десятков лет. Самцы живут рядом с матерью до 14 лет, а самки - всю жизнь. Если детеныш получает травму или ему что-то угрожает, другие слоны успокаивают и защищают его.
Термоформовочные животные
Терморегуляторные животные имеют эндогенные механизмы, которые поддерживают температуру тела относительно постоянной в зависимости от изменений температуры окружающей среды. Среди этих животных имеются две категории: терморегуляторы гомеотермоса и термеррегуладоры гетеротермосов. Гетеротермические терморегуляторы могут поддерживать различную температуру тела, чем температура окружающей среды в определенной области вашего тела или в течение определенного периода времени. Некоторые беспозвоночные и несколько позвоночных способны терпеть замораживание значительной части их воды на теле.
Такая сплоченность обеспечивается сложной системой коммуникаций. Для общения «накоротке» слоны используют внушительный набор голосовых сигналов, от глухого бурчания до пронзительного крика и рева, и визуальных знаков, выражая самые разные эмоции с помощью хобота, ушей, головы и хвоста. Способны они общаться и на большом - свыше полутора километров - расстоянии: чтобы быть услышанными сородичами, слоны издают мощные низкочастотные рычащие звуки.
Во всех случаях только внеклеточная жидкость замораживается из-за присутствия веществ, которые выступают в качестве ядер кристаллизации. Кристаллы льда увеличивают осмотическую концентрацию внеклеточной среды. Это заставляет воду вытекать из клеток; то внутриклеточная осмолярность возрастает, а точка замерзания уменьшается. Другие вещества, такие как глицерин, также действуют как антифриз.
Какие животные переносят самые низкие температуры?
Наземные животные, живущие в не экстремальных холодных регионах, могут выбирать микросреды, которые позволяют им достичь подходящей температуры тела, чтобы оставаться активной. У видов рыб и водных беспозвоночных значительное снижение температуры вызывает снижение скорости метаболизма. Некоторые из этих животных выполняют компенсацию: увеличение скорости обмена веществ позволяет им оставаться активными в течение всего года.
Высокие интеллектуальные способности слонов подтверждают ученые. Магнитно-резонансная томография слоновьего мозга свидетельствует о необычно большом размере гиппокампа - участка мозга млекопитающих, связанного с процессами памяти и являющегося важной частью лимбической системы, которая задействована в возникновении эмоций. Кроме того, в мозге слона обнаружено повышенное количество веретенообразных нейронов. Предполагается, что у людей они связаны с такими способностями, как самосознание, сопереживание и осознание себя в обществе. Оказалось также, что слоны могут пройти тест на узнавание себя в зеркале, - до недавнего времени считалось, что на это способны только люди, некоторые высшие приматы и дельфины.
Регулирование температуры тела
Терморегуляторные животные устанавливают тепловое равновесие между теплотой обмена и количеством тепла, которое они рассеивают. Теплопроводность, способность к пассивно пассивному нагреву, может происходить либо путем проводимости, либо путем теплового излучения. Проводимость изменяется из-за определенных компенсационных поправок, которые происходят в организме, перед изменениями температуры окружающей среды, которые происходят в течение определенного интервала.
В гомеотермос-терморегуляторных животных физиологический термостат, расположенный в гипоталамусе, поддерживает температуру тела. У млекопитающих термостат получает и интегрирует информацию, поступающую от терморецепторов, распределенных внутри тела. Когда температура изменяется, эти рецепторы посылают нервные импульсы в гипоталамус, где полученную информацию сравнивают с эталонным значением и инициируют соответствующие ответы. Кожные тепловые и холодные рецепторы являются важным источником информации об изменениях комнатной температуры.
В тех случаях, когда на какой-то важный для биосистем параметр влияют различные процессы, принято рассматривать регуляцию этого параметра как баланс. Как мы уже указывали, температура является важнейшим условием, в высокой степени влияющим на протекание всех биологических процессов. На температуру тела любого организма влияет целый ряд факторов (рис. 5.19.1).
Регулирование температуры у млекопитающих. Температура тела у млекопитающих регулируется нервной и эндокринной системами. Центр регуляции температуры находится в гипоталамусе, который получает информацию от терморецепторов, расположенных на коже, и некоторых внутренних структур, таких как сам гипоталамус. В этой схеме фиолетовые линии представляют собой нервные пути, а красные стрелки указывают на гормональные пути. Сочувствующие нервные волокна сообщают многим эффекторам многие ответы, которые сделаны в гипоталамусе, которые стремятся контролировать температуру: периферическая вазоконстрикция, эрекция волос, не дрожащий термогенез или потоотделение.
Рис. 5.19.1. Тепловой баланс организма зависит от многих факторов
Рассматривая приспособления организмов к поддержанию температуры своего тела, мы увидим отражение всех особенностей его жизни. К примеру, организмы, которые поддерживают постоянную температуру тела, превышающую температуру окружающей среды (гомойотермные организмы), имеют разнообразные приспособления для сохранения тепла. У многих млекопитающих это шерсть, у птиц — перья. Характерная форма тела китов и тюленей определяется не только совершенствованием их обтекаемости, но и толстой жировой «рубашкой», окутывающей их тело. Если какие-то части тела гомойотермных организмов интенсивно охлаждаются (как, например, ноги чаек, которыми они могут ходить по льду), в них могут развиваться специальные структуры для экономии тепла. Так, кровеносные сосуды в ногах чайки работают по принципу противотока. Артерии, несущие в ноги теплую кровь, и вены, уносящие холодную кровь, находятся в тесном соседстве. Тепло из артериальной крови передается в венозную. Если бы сосуды не были сближены, между ними не было бы эффективного теплообмена. А если бы токи крови были направлены в одну сторону, температура артериальной и венозной крови попросту бы усреднялась (и соответствовала бы для входящей в стопу артериальной крови примерно 16°С, что привело бы к большой теплоотдаче через ноги). Благодаря противотоку большая часть тепла отдается артериальной кровью перед входом в ноги и возвращается с венозной кровью в туловище.
Дрожащий термогенез опосредуется моторными нейронами, которые также могут иметь добровольный контроль. У людей гормональный путь играет второстепенную роль. Этот гормон стимулирует щитовидную железу, которая синтезирует гормоны трийодтиронин и тироксин. Эти гормоны щитовидной железы стимулируют клеточный энергетический метаболизм, действуя непосредственно на митохондрии.
Увеличение температуры тела связано не с неисправностью гипоталамутического термостата, а с перенастройкой контрольного значения, которое происходит в присутствии пирогенов. Высокая температура улучшает иммунный ответ, направленный против патогенов. Когда домашнее терморегулируемое животное сталкивается с холодными температурами, температурный градиент увеличивается, и больше тепла тела рассеивается. Снижение температуры тела вызывает изменения в кровообращении и пилоэлементе. Эти изменения уменьшают теплопроводность и восстанавливают температуру тела до контрольного значения гипоталамуса.
Чем меньше размер тела животных, тем сложнее поддерживать постоянную температуру тела. Вероятно, минимальный размер гомойотермных животных соответствует размерам тела землероек и колибри. Чем крупнее животное, тем проще ему поддерживать постоянную температуру тела. Для крупных животных основной проблемой становится опасность перегрева (например, после периода повышенной мышечной активности). Не случайно крупные гомойотермные животные, обитающие в теплом климате, обычно не имеют плотного шерстного покрова, а также могут иметь какие-то органы-«радиаторы», служащие для отдачи избыточного тепла. Именно такую роль выполняют уши слонов; в случае перегрева слоны усиливают кровообращение в ушах и помахивают ими.
Эффективным способом снижения температуры тела является испарение воды с его поверхности. Она может испаряться с отдельных участков тела (из ротовой полости, как у собак или крокодилов) или с большей части поверхности тела (как у человека). Способ регуляции теплового баланса человека вообще довольно необычен. Становление нашего вида шло по пути неспецифичных охотников и собирателей африканских саванн. Одним из серьезных преимуществ наших предков была их высокая выносливость. Изнеженным жителям городов трудно в это поверить, но тренированный человек способен бежать дольше и пробежать большее расстояние, чем тренированная лошадь! При таком длительном беге мышцы производят значительное количество тепла. Вероятно, единственный способ охлаждения в таких условиях — интенсивное потоотделение. Человек имеет чрезвычайно высокое количество потовых желез на единицу поверхности тела! Если бы он был покрыт плотной шерстью, как его ближайшие родственники (человекообразные обезьяны), оседающая пыль покрыла бы его тело плотной коркой. Исчезновение шерсти в нашем случае — приспособление к «сбрасыванию» излишнего тепла.
Однако нашим предкам приходилось не только отдавать в среду лишнее тепло, но и экономить его, например, прохладными ночами. С этим связано развитие у человека достаточно мощного слоя подкожного жира, существенно большего, чем у человекообразных обезьян.
Способов регуляции теплового баланса достаточно много, но их можно классифицировать, разделив на несколько групп. «На поверхности» лежит разделение организмов на пойкилотермных и гомойотермных. Эти две группы могут иметь и иные названия.
Пары терминов «холоднокровные-теплокровные» и «экзотермные-эндотермные» следует считать неудачными и воздерживаться от их употребления. Эти термины ссылаются не на те особенности терморегуляции организмов, которые следует считать основными. У «холоднокровных» организмов кровь может быть достаточно теплой, а «эндотермные» могут получать изрядную долю энергии извне. Термины «пойкилотермные» (греч. poikilos — пестрый, разнообразный и therme — тепло, жар) и «гомойотермные» (греч. homoios — одинаковый) лишены этих недостатков и указывают на основную особенность — переменную или постоянную температуру тела. Конечно, полностью отказаться от использования терминов «холоднокровные-теплокровные» не получится, но нужно понимать, что они относятся не столько к температуре тела, сколько к способу ее регуляции.
Рассматривая названные группы организмов, можно увидеть, что между ними существуют переходы. Рассмотрим более подробную их классификацию (рис. 5.19.2). По типу терморегуляции организмы делятся на:
— пойкилотермных (не поддерживающих постоянную температуру тела благодаря работе специальных физиологических систем):
— арегуляторных пойкилотермных (способных к регуляции температур только благодаря выбору наиболее благоприятных для них условий);
— регуляторных пойкилотермных (способных к регуляции температуры благодаря наличию механизмов разогрева или охлаждения тела);
— гигантотермных (имеющих относительно постоянную температуру тела, поддерживаемую благодаря крупным размерам тела);
— гомойотермных (поддерживающих как верхнюю, так и нижнюю границу диапазона нормальных температур);
— гетеротермных (способных поддерживать постоянную температуру тела, а также существенно снижать ее при необходимости).
5.19.2. Регуляция температуры тела у различных термобиологических типов организмов
К числу гомойотермных животных относится большинство птиц и млекопитающих; кроме них, гомойотермия возникала у летающих ящеров (птерозавров) и мелких хищных динозавров (возможно, связанных тесным родством с птицами). Наоборот, некоторые виды млекопитающих не являются по-настоящему гомойотермными, как, например, голый землекоп (африканский колониальный роющий грызун, имеющий социальную организацию, напоминающую таковую у социальных насекомых).
Гетеротермия может носить сезонный (ежи, суслики, сурки) или даже суточный (летучие мыши и колибри) характер. Чтобы разогреваться, гетеротермные организмы должны иметь альтернативную систему разогрева.
К примеру, если температура тела человека снизится ниже 35°С, скорость его обмена веществ также сильно упадет, при этом температуру он сам уже не сможет поднять до необходимого уровня. В медицинских учреждениях переохладившегося человека разогревают, подводя к его организму тепло снаружи. А у гетеротермных животных для быстрого подъема температуры тела после охлаждения служит специфическая ткань (бурый жир), способная к большому выделению тепла.
Терморегуляция динозавров — один из вопросов, который достаточно интенсивно обсуждается в популярной литературе. Как ни странно, хотя прямое изучение этой проблемы уже невозможно, мы знаем о ней не так уж и мало.
Крупные динозавры были гигантотермными (иное название — инерциально теплокровными) животными. Как показывают расчеты, в субтропическом климате у животного со средним диаметром тела 1 м (а многие динозавры были крупнее) температура тела будет равняться 34°С с колебаниями в течение суток менее, чем на 1°С, причем без каких бы то ни было дополнительных затрат энергии со стороны самого животного. Самые крупные динозавры вовсе не рисковали переохладиться, так как они были по-настоящему велики. Скорее им мог угрожать перегрев. В этом случае наши реконструкции динозавров страдают серьезным недостатком: мы не отражаем на них органы, которые могли бы выполнять функции сброса излишнего тепла (как уши слона или влажный язык собаки).
Гигантотермия могла быть переходом от пойкилотермии к гомойотермии. Ферменты животных-гигантотермов специализировались для работы при постоянно высокой температуре тела. В то же время у таких организмов развиваются физиологические механизмы, позволяющие контролировать верхнюю границу температур, избегая перегрева. Фактически гигантотермы пользуются преимуществами гомойотермии, не затрачивая на это энергии! А что может «принудить» гигантотермов начать поддерживать постоянную температуру тела, идя ради этого на затраты энергии? Уменьшение размеров.
Гомойотермия возникала в истории жизни несколько раз. Согласно одной из точек зрения, в большинстве случаев ее возникновение оказывалось сопряжено с уменьшением размеров организмов. Так, осваивая полет, уменьшали свои размеры предки птиц и летающих ящеров (вы помните, что некрупному животному летать проще). Предки млекопитающих уменьшили свои размеры, проиграв динозаврам в конкуренции в высшем размерном классе (иногда тактический проигрыш ведет к стратегическому выигрышу). А вот крокодилы, например, хоть и уменьшили свои размеры, но сделали это в ходе приспособления к затаиванию на дне водоемов, которое не позволяло тратить энергию на терморегуляцию. В результате этого крокодилы остались пойкилотермными.
А существуют ли современные гигантотермные животные? В определенной степени элементы гигантотермии можно найти в тепловом балансе крупных ящериц, змей, крокодилов и черепах. Особо интересен способ терморегуляции самого крупного вида современных черепах — кожистой черепахи.
«Удивительная особенность этого рода — его способность поддерживать температуру тела по крайней мере на 18°С выше, чем у воды. … Как и у млекопитающих и птиц, она обеспечивается работой мышц и поддерживается за счет наружного теплоизоляционного слоя жира и противоточного теплообмена кровеносных сосудов конечностей » (Роберт Кэрролл, 1992).
Загрузка...