Природа фактора и характер его воздействия на организмы

Основным источником тепла для нашей планеты, как уже упоминалось, служит тепловое инфракрасное излучение Солнца. Кроме того, в некоторых местообитаниях (районы повышенной вулканической активности, горячие и теплые источники) существенное влияние на температуру оказывает внутренняя энергия Земли. Вспомните фантастическую Землю Санникова, реальную, но не менее загадочную Долину гейзеров на Камчатке или теплые озера хребта Хамар-Дабан, что у юго-восточной оконечности озера Байкал. Но все эти удивительные места - лишь точки на поверхности земного шара, ничтожные по космическим меркам.

Температура отражает среднюю скорость, с которой атомы и молекулы совершают колебательные движения. Чем выше скорость, тем выше температура системы, и наоборот. При скорости, равной нулю (прекращении движения), температура будет равна абсолютному нулю. В быту для измерения температуры мы пользуемся шкалой Цельсия (С°), по которой абсолютный нуль соответствует -273°. Диапазон температур, теоретически возможных во Вселенной, громаден: от -273°С (температура абсолютного нуля) до миллионов градусов. Температурные границы жизни достаточно узки, но четко определить их гораздо сложнее. Для большинства организмов температура активных клеток не должна опускаться ниже 0°С и превышать 50°С. Нижний предел определяется точкой замерзания воды. Клеточное содержимое - полужидкая среда, растворителем в которой служит вода. При ее замерзании образуются кристаллы льда, травмирующие мембранные клеточные структуры. Верхний предел определяется возможностью существования естественной структуры белков, которые обеспечивают жизнедеятельность клетки и легко разрушаются при температурном воздействии. Однако многие организмы злостно нарушают все нормы и правила. Группа криофилов (криос - лед, холод), среди которых есть и мхи, и лишайники, и грибы, и членистоногие - обитатели тундр, арктических пустынь, высокогорий, может сохранять активность при температуре клеток до -8°...-10°С.

Отдельные виды микроорганизмов, главным образом, бактерий и водорослей, объединившись в группу термофилов, штурмуют верхний температурный предел и ухитряются жить и размножаться в горячих источниках при температуре, близкой к точке кипения воды.

Если к сведениям об этих "нарушителях порядка" добавить, что в лабораторных экспериментах споры бактерий, семена растений и даже некоторые круглые черви после обезвоживания переносили температуры, близкие к абсолютному нулю (-271°С...! - При такой температуре клеточные структуры очень твердые), становится понятным, почему Ю. Одум в классическом учебнике "Экология" раздвигает температурные границы жизни до, казалось бы, немыслимых пределов: от -200°С до +100°С. Но периодически в научно-популярной литературе можно встретить и еще более фантастические сведения. В 1977 г. в Тихом океане у входа в Калифорнийский залив на глубине около трех километров (а впоследствии - и в других районах океана) были обнаружены гидротермы (горячие источники), вода в которых, нагретая до 250°С, не кипит, находясь под гигантским давлением. Темный цвет воды, определяемый многочисленными примесями, подсказал ученым название источников - "черные курильщики". В этом аду были обнаружены бактерии. По первоначальным предположениям, их температурный оптимум составлял +250°С. Сравните: олово плавится при +232°С, свинец - при +327°С. К сожалению, эти данные оказались артефактом т.е., ошибкой, порожденной условиями эксперимента. В ходе последующих исследований сообществ "черных курильщиков" (к настоящему моменту выяснено, что помимо бактерий, в этих экосистемах обитают разнообразные животные - моллюски, кольчатые черви, креветки и т.д.) было обнаружено, что большинство обитателей живет в диапазоне 10-25°С, а температурный максимум обитания - до +95°С. То есть жизнь сосредоточена в областях, прилегающих к подводным гидротермам, а не в них самих. Приведенные примеры демонстрируют необычные возможности некоторых организмов. Но не будем забывать, что в норме активная жизнедеятельность клеток ограничена температурными пределами 0°С и +50°С. В этом интервале может реализовываться обмен веществ и энергии, который представляет собой совокупность биохимических реакций. Эти реакции обладают рядом особенностей. Во-первых, они протекают только в растворах, а растворителем является вода.

Используя полученную информацию, объясните нижний температурный предел активной жизнедеятельности клетки.

Во-вторых, при повышении температуры (в некоторых пределах) темп обмена веществ увеличивается. В-третьих, эти реакции ферментативны, т.е. протекают в присутствии ферментов - биологических катализаторов. Катализаторы вещества, которые увеличивают скорость химических реакций, но сами при этом не расходуются.

За редчайшими исключениями ферменты по своей химической природе - белки. Как мы уже выяснили, при нагревании выше определенной температуры структура этих сложных веществ нарушается - белки денатурируют.

Денатурация - нарушение естественной структуры высокомолекулярных биологических соединений.

В некоторых пределах денатурация обратима - структура, а значит, и функции белка могут естественным образом восстановиться. При нагревании выше этих пределов денатурация необратима. Имейте в виду, что причиной денатурации может быть не только температура, но и изменение кислотности и солевого состава среды, жесткое излучение и другие факторы.

Обмен веществ - это совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции в их взаимосвязи и связи с внешней средой. Ассимиляция - это образование веществ в клетках организма, диссимиляция - обратный процесс, т.е. разрушение веществ. Температурные оптимумы ассимиляции и диссимиляции не совпадают (см. правило функциональной специфики воздействия факторов, § 2). Рост в норме характеризуется увеличением биомассы; значит, темп образования веществ превышает темп разрушения. При низких, но не выходящих за пределы толерантности клетки, температурах обмен веществ заторможен, накопления биомассы нет или оно ничтожно. Повышение температуры стимулирует обмен веществ, организм растет. Но температурный оптимум диссимиляции выше, чем ассимиляции, и при высоких температурах доминирует диссимиляция, биомасса снижается, ростовых процессов нет.

Существует температурный порог развития, определяющий минимальную температуру, при которой клетки организма переходят от пассивного состояния к активной жизнедеятельности. Этот показатель видоспецифичен (для каждого вида свой). Так, температурный порог развития семян гороха составляет +1°С, кукурузы - +8°С, а семенам финиковой пальмы для начала развития требуется прогревание до +30°С. При этом наблюдается закономерность: условием начала какого-либо процесса жизнедеятельности (прорастания семян, цветения, развития личинок и т.д.) является не просто достижение температурного порога развития, но превышение его значения в течение некоторого времени. Эту закономерность можно выразить уравнением:

Где:

t_{(1, 2, …n)} – время ( в днях), когда температура равнялась соответственно Т(_{1, 2, … n}),

Т₀ - температурный порог развития вида,

Т(_{1, 2, … n}) - среднедневная температура, превышающая Т₀,

С - термальная постоянная вида.

Эта закономерность выражается концепцией термальной постоянной, или "градусо-днями", или суммой эффективных температур. Считается, что величина С постоянна для каждого вида, температура клеток которого зависит от температуры окружающей среды (т.е. для всех, кроме птиц и млекопитающих). Разберемся на конкретном примере. Овес посевной (Avena sativa) имеет температурный порог развития Т₀ = +5°С и термальную постоянную прорастания семян С = 80°С. Предположим, что температура держалась на отметке +10°С в течение четырех дней, а затем установилась на +15°С. Можем ли мы узнать, сколько дней потребуется на прорастание семян в этих условиях?

Пусть время, необходимое для прорастания семян овса, - х. Тогда: х = 4 + y

(4 дня Т=10°С и «y» дней Т=15°С). Воспользуемся нашей формулой. 80°С = 4*(10°С – 5°С) + у*(15°С – 5°С) Решив уравнение, получаем: х = 10 дней.

Следовательно, в заданных условиях семена овса прорастут через десять дней.

Таким образом, концепция градусо-дней позволяет предсказывать сроки цветения, плодоношения у растений, временные этапы развития насекомых и т.д. Однако подобные прогнозы весьма приблизительны. Дело в том, что на виды, адаптированные к неустойчивым погодным условиям (характерным для умеренных широт), колебания среднесуточных температур оказывают стимулирующее воздействие. Иными словами воздействие на организм температур, колеблющихся от 10°С до 20°С при Т°ср.=15°С, будет более благоприятно, чем воздействие постоянной температуры +15°С. До сих пор остаются невыясненными причины этого явления: то ли развитие стимулируется самими колебаниями, то ли ускорение развития при потеплении столь значительно, что с лихвой перекрывает торможение развития при похолодании.

Поиск по сайту: