Зависимость активных организмов от температуры

Так, у млекопитающих холодных областей мех толще, чем в теплом климате. Его толщина увеличивается параллельно с увеличением размера тела. Мелкие виды компенсируют недостаточные теплоизолирующие свойства своего покрова, зимуя в норах под снегом, где температура выше, чем на открытом воздухе. Таковы грызуны Spermophilus undulatus, лемминг Dicrostonyx sp., ласка Mustella rixosa. У млекопитающих тропического пояса, напротив не наблюдается никакой связи между размером тела, толщиной меха и его изолирующей способностью. Только два исключения были отмечены Шоландером. У ленивцев Bradypus griseus и Choloepus hollmanni интенсивность обменных процессов недостаточна, чтобы обеспечить поддержание их внутренней температуры в условиях сравнительно холодных ночью верхушек деревьев тропического леса, где они преимущественно обитают; такое же положение и у обезьяны Aotus trivirgatus, подвергающейся воздействию холода в том же биотопе. У этих трех видов мех отличается лучшей изолирующей способностью, чем у других обитателей тропических лесов. Одна из жужелиц Аляски Pterostichus brevicornis в условиях эксперимента смогла перенести -87°С в течение пяти часов. Жуки, собранные зимой, которых нашли уже промерзшими в их зимнем убежище, переносили длительное содержание при  температуре  -35°С, а жуки того же самого вида, но собранные летом, погибали уже при -6,6°С [Дажо, 1975, с. 105].

Незначительное сокращение числа яиц у вида жужелиц C. nitens на севере связано с влияние низких температур. Так, на примере Notiophilus biguttatus было показано, что при пониженных температурах самки начинают откладывать более крупные яйца, но в меньшем количестве [Филиппов, 2007, с. 695]. Как адаптации к существованию в суровых климатических условиях у вида листоеда Chrysomela collaris , можно отнести тенденции к снижению заселяемого яруса растительности, к смещению начала развития на более ранние фенологические сроки и к измельчению особей от центра к северной границе ареала [Богачева, Хрулева, 2002, с. 678].

В холодных районах, особенно в полярных и высоко в горах, темная окраска встречается чаще. Это способствует усиленному поглощению тепла. Если поместить на солнце две формы пруса Calliptamus sp., то окажется, что у темноокрашенной формы температура тела будет на 4-5^о выше, чем у светлой. Многие животные накапливают жир и подкожный жировой слой (китообразные), который обеспечивает теплоизоляцию. У ряда животных в выступающих или поверхностных частях тела (лапы некоторых птиц, ласты китов) есть замечательное приспособление под названием « чудесная сеть». Это сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты (рисунок 6). Кровь, текущая по артериям, отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь поступает в конечности охлажденной.

Гомойотермные животные, обитающие  в холодных областях, имеют, как правило, крупные размеры, по сравнению с  обитателями жарких стран. При увеличении размеров уменьшается относительная  поверхность тела, а следовательно  и теплоотдача.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание: Справа – система  кровеносных сосудов; сплошными  стрелками показано направление  тока крови, пунктиром – перенос  тепла

Рисунок 6 – Кожная температура ноги у чайки [Степановских, 2009, с. 156]

 

 Физиологическая адаптация к неблагоприятным температурам представляет собой акклиматизацию. Эта форма адаптации, осуществляемая через изменения обмена веществ, выражена главным образом у гомойотермных животных. Тропические млекопитающие усиливают свои обменные процессы, уже когда окружающая температура близка к 25^о; при 10^о образование тепла у них утраивается, а при 0^о они погибают. В противоположность им мелкие арктические млекопитающие обнаруживают усиление обмена веществ только при наружной температуре в -30^о, а более крупные, такие, как мускусный бык, выдерживают мороз до -40^о без усиления обмена веществ [Дажо, 1975, с. 106-107].

Борьба организма с  низкими температурами приводит к явлению прогрессирующей акклиматизации, при которой в холодный сезон  температура тела постепенно падает и доходит до такого уровня, когда  все соки в организме замерзают  и животное гибнет. У водных насекомых, живущих в условиях, где колебания  температуры выражены слабо, зимнее снижение летальной температуры  незначительно. Несколько сильнее  оно выражено у жука Popillia japonica, живущего в почве, и еще сильнее у жука Dendroides сanadensis, зимующего под корой и подвергающегося очень низким температурам (рисунок 7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание: на оси абсцисс - месяцы года; по оси ординат - самая низкая температура, переносимая насекомыми

Рисунок 7- Устойчивость насекомых к морозу [Дажо, 1975, с. 108]

 

Стойкость к низким температурам, возможно, связана с прогрессирующим  обезвоживанием, вызывающим увеличение осмотического давления внутренних жидкостей тела и снижающим точку  их замерзания, как это происходит у хирономид (двукрылые) Арктики, личинки  которых зимуют в промерзающих мелких водоемах. Одновременно у насекомых постепенно снижается уровень обменных процессов.

У других насекомых, весьма устойчивых к холоду, скапливаются значительные количества глицерина, образующегося  из гликогена. Он может понижать точку  замерзания жидкостей внутри организма  до -20^о. В тканях наездника Bracon cephi (перепончатокрылые) из Канады, выносящего мороз в -20^о, обнаруживают глицерин в концентрации 25% от живого веса насекомого.

Аналогичное явление наблюдается  у трески Gadus ogas  в водах, омывающих полуостров Лабрадор: у нее точка замерзания плазмы, летом обычно равная -0,8^о , опускается зимой до -1,6^о за счет образования триметиламина, который играет ту же роль, что и глицерин у насекомых.

 У животных есть разнообразные поведенческие адаптации к температуре. Они проявляются в перемещениях животных в места с более благоприятными температурами (перелеты, миграции), в изменениях сроков активности, сдвигая ее на более светлое время суток и т.д. Так, холодным утром кузнечики подставляют бока солнечному свету, а дневные бабочки расправляют крылья. Рыжие лесные муравьи за счет мышечной активности и скопления в ранневесенний период при внешней температуре от 0 до 13^оC поддерживают температуру в гнезде на уровне 26-30^оC, что требуется для развития расплода. При понижении температуры воздуха многие животные переходят на питание более калорийной пищей. Белки в теплое время года поедают более ста видов кормов, зимой же питаются, главным образом, семенами хвойных, богатых жирами. Кормом оленям летом служат в основном травы, зимой – лишайники, содержащие в большом количестве белковые, жировые и сахаристые вещества [Дажо, 1975, с. 108-109].

Также важное место в преодолении  отрицательного воздействия низких температур, особенно в зимний период, занимает выбор животными места  для жилища, утепление убежищ, гнезд  пухом, сухими листьями, углубление нор, закрывание входов в них, принятие особой позы, например, скручивание кольцом, укутывание хвостом, собирание в  группы, так называемое «скучивание» и т.д. Некоторые животных согреваются путем пробежек и прыжков.

В жизни некоторых животных имеет большое значение спячка - состояние пониженной биологической  активности в неблагоприятных условиях, в частности температурных. При  этом температура тела животного  снижается до уровня температуры  окружающей среды. В этот период температура  влияет на метаболизм гомойотермных  животных таким же образом, как и на пойкилотермных [Дажо, 1975, с. 109].

Подводя итог вышесказанному, можно выделить следующие основные приспособления к низким температурам у животных:

• толстый меховой и перьевой покров;
• преимущественно темная окраска тела;
• акклиматизация (через изменение обмена веществ);
• крупные размеры тела;
• испарение жидкости с поверхности тела;
• перелеты, миграции;
• зимовка в норах;
• изменение сроков активности;
• питание более калорийной пищей;
• поиск наиболее подходящих местообитаний;
• усиление мускульной работы
• спячки, состояния покоя.

Таким образом, можно сказать, что влияние низких температур на растения и животных сказывается  негативно, вследствие чего, живым организмам приходится приспосабливаться к неблагоприятным условиях среды, вырабатывая различные адаптации.

 

 

 

 

 

5  Влияние высоких температур и адаптации

Растения и животные в  ходе эволюции выработали различные  формы приспособления и к воздействию  высоких температур. Так, отношение к высоким температурам характеризуется:

• Жаровыносливостью – растения солнечных сухих местообитаний, способные переносить кратковременное (до получаса) повышение температуры до +60°С без повреждения тканей. Самые жаровыносливые – лишайники;
• Жаростойкостью – низшие растения, живущие в термальных источниках (сине-зеленые водоросли, бактерии) стой до +90°С;
• Жароустойчивость растений зависит от географического положения, сезона года, положения в рельефе. Более устойчивы к жаре южные виды. Виды умеренных и арктических зон более жароустойчивы зимой, жарких стран (средиземноморские виды) – летом. Горно-альпийские виды менее жароустойчивы, чем растущие в нижележащих поясах.

Из огромного разнообразия растительных форм, населяющих Землю, пожалуй, только суккулентам и некоторым термическим водорослям нужны высокие температуры. Для подавляющего же большинства предел их выносливости ограничивается 45^о. Максимумы же температур в отдельных районах нередко бывают выше. Подобно растениям умеренных поясов, они сбрасывают листву и впадают в состояние покоя в случае приближения более или менее регулярно повторяющихся периодов с неблагоприятным температурным режимом. Только происходит это в летний период. Так ведет себя, например, акация песчаная. Белый саксаул же сбрасывает не только листья, но и целые ветки. В состояние покоя  (в форме семян, луковиц), при действии высоких температур, впадают эфемеры. Растения жарких мест обитаний прибегают и к таким приемам защиты, как свертывание листьев, уменьшение их поверхности, вертикальное и расположение [Майснер, 1981, с. 30].

В условиях жаркого климата  растения нередко образуют войлочные  покрытия, предохраняющие их от прямого  воздействия солнечных лучей. А  некоторые виды способны выделять соли, их которых на стволах и листьях образуются кристаллы, преломляющие и отражающие падающие лучи солнца [Майснер, 1981, с. 32].

В зоне высоких температур при пониженной влажности (в тропических и субтропических пустынях) исторически сформировался своеобразный морфологический тип растений с незначительной листовой поверхностью или с полным отсутствием листьев (саксаул Haloxylon aphyllum).

Среди теплолюбивых растений, распространенных на Кавказе, можно  отметить следующие: земляничное дерево Arbutus andrachne, повреждается при морозах -13-15^оС [Литвинская, 2006, с. 104]; жимолость этрусская Lonicera etrusca, известная в Геленджикском районе (гора Лысая, окрестности Анапы, Большой и Малый Утриш, Дюрсо) [Литвинская, 2006, с. 127]; можжевельник высокий Juniperus excelsa [Литвинская, 2006, с. 163]; жасмин кустарниковый Jasminum fruticans, но может выносить морозы до      -20^оС [Литвинская, 2006, с. 221]; тимьян геленджикский Thymus helendzhicus, распространенный на Северо-Западном Закавказье (гора Лысая около Варваровки, Новороссийский район, Архипо-Осиповка, Маркотх) [Литвинская, 2006, с. 326].

У многих пустынных растений образуется своеобразное беловатое  опушение, способствующее отражению  солнечных лучей и предохраняющее их от перегрева (акация песчаная Ammodendron conollyi). К физиологическим приспособлениям растений, сглаживающих вредное влияние высоких и температур, могут быть отнесены интенсивность транспирации, накопление в клетках солей, изменяющих температуру свертывания плазмы, свойство хлорофилла препятствовать проникновению наиболее горячих солнечных лучей. Испарение воды через устьица является приспособлением для регулирования температуры листьев (при понижении внешней температуры испарение через устьица протекают менее интенсивно и в результате у растений уменьшается теплоотдача) [Радкевич, 1997, с. 32].

Так, в ходе экспериментов  по изучению влияния высоких температур на X. еxile, было установлено что водоросль сохраняла морфологический статус при температурах от 30 до 44^оС. С ростом температуры (кроме 30^оС) наблюдалось удлинений вегетативных нитей данного вида. При воздействии температуры 32^оС-44^оС возрастала интенсивность зооспорообразования. Экстремальные значения температуры вызывали разнообразные морфологические нарушения X. еxile, выражающиеся в гранулированности, обесцвеченности цитоплазмы и нарушении целостности клеточной оболочки [Гайсина, 2006, с. 238].

Таким образом, адаптации к высоким температурам у растений таковы:

• формирование мощного опушения на покровных тканях;
• впадают в состояние вынужденного покоя;
• формирование блестящей поверхности;
• уменьшение площади листовой пластинки;
• вертикальное расположение листьев;
• испарение воды через устьица;
• свертывание листовой пластинки;
• сбрасывание некоторых органов;
• формирование беловатого опушения;
• выделение солей, кристаллы которых отражают солнечные лучи;
• толстый слой кутикулы;
• восковой налет на листьях;
• листья превращены в иглы или колючки;
• устьица открыты ночью и закрыты днем;
• уменьшение транспирации;
• длинные корни и разветвленная корневая система;