Температура

Температура является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние на жизнедеятельность организмов.

Диапазон температур, в которых могут существовать живые организмы, довольно узок и не превышает порядка 300 °С, колеблясь примерно от -200 °С до +100 °С. Верхний предел температуры для бактерий в горячих источниках лежит около 88 °С, сине-зеленых водорослей (цианобактерий) — +80 °С, а самых устойчивых рыб и насекомых — около +50 °С. В Якутии многие растения не вымерзают при температуре от —60 до -70 °С. А в Антарктиде при этой же температуре обитают некоторые водоросли, лишайники, беспозвоночные и позвоночные животные.

Температура обычно не является величиной постоянной. Ее изменчивость крайне важна в жизни организмов. Жизнедеятельность многих организмов, подвергающихся в природе воздействию переменной температуры, подавляется или частично замедляется при воздействии постоянных температур. Так, личинки и куколки яблонной плодожорки в условиях колеблющихся темпе­ратур развиваются на 7—8 % быстрее, чем при постоянной температуре.

Различные фазы развития живых организмов проявляют разную реакцию на температуру.

Длительность развития гусениц дубового шелкопряда зависит как от их возраста, так и температуры в данный момент. При повышении температуры на каждые 3 °С в интервале от +20 до +29 °С потребление корма гусеницами разных возрастов повышается в среднем на 15 %, а сроки развития сокращаются в 4 и более раз. Наиболее подвержены влиянию температуры гусеницы I возраста, интенсивность питания которых повышается в 3 раза, а сроки развития сокращаются в 4,3 раза. В V возрасте влияние температуры сказывается совсем незначительно.

От величины температуры воды зависят многие физиологические реакции организма у водных беспозвоночных. При увеличении температуры от +5 до +15 °С частота сердцебиения у пресноводных креветок возрастает вдвое.

Влияние температуры на организмы может усиливаться совместным ее воздействием с другими экологическими факторами. Личинки майских жуков сильно страдают при высокой температуре почвы и пониженной влажности. Они зимуют на глубине 2—3 см от поверхности почвы, покрытой растительностью, и на 50 см в почве без растительности.

Влияние температуры на организмы проявляется не только в изменении жизненно важных процессов и функций. Температура может ограничивать расселение организмов, изменять их поведенческие реакции. Например, лось в Скандинавии встречается на 10° севернее, чем в Сибири. Это обусловлено более суровыми зимами в Сибири.

Различия в отношении температуры влияют и на географическое распространение видов. Южной границей ареала бабочки капустницы является Палестина. Далее очень жарко, что отражается на размножении вида, который уже на южной границе ареала может размножаться лишь в зимний период. Влияние температуры сказывается и на биотопическом расселении видов. Лесные виды предпочитают температуры менее высокие, чем виды открытых пространств.

Экологическая валентность организмов разных групп по отношению к температуре может существенно различаться. По данному фактору среды все организмы делятся на стено- и эвритермные. Стенотермные могут жить только в узких интервалах температур. В теплых источниках встречается один из видов рачков, диапазон оптимальных температур для которого составляет 45—48 °С. Особи вида гибнут, если температура среды понижается до +30 °С. У эвритермных видов интервалы температуры для жизнедеятельности гораздо шире. Обычные у нас бабочки капустницы, крапивницы и некоторые другие могут сохранять жизнедеятельность при температурах от —20 до +30 °С.

В зависимости от типа теплообмена животные организмы подразделяются на следующие группы:

— пойкилотермные — животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов теплорегуляции. Эту группу составляют микроорганизмы, беспозвоночные, многие хордовые. Сюда же относятся и растения;

— гомойотермные — характеризуются высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается относительно постоянная температура тела. Это теплокровные организмы — птицы и млекопитающие.

Промежуточное положение занимают гетеротермные организмы. В активном состоянии они являются гомойотермными, а в состоянии спячки более зависимы от температуры среды, вследствие чего становятся похожими на пойкилотермные организмы. Гетеротермия представляет собой форму физиологической адаптации организмов, обеспечивающей высокий уровень обмена веществ в период активной жизнедеятельности и низкие потери энергии в период спячки. Гетеротермными можно считать сусликов, сурков, ежей, барсуков, медведей и других животных.

В жизни растений и животных важна не только температура на территории их обитания, но и распределение тепла во времени (тепловой режим). В мире растений приспособление к тепловому режиму проявляется в интенсивности испарения (транспирации), накоплении в клетках солей, изменяющих температуру свертывания плазмы, свойстве хлорофилла препятствовать проникновению горячих солнечных лучей. Кроме того, растения регулируют свою температуру за счет изменения угла наклона листьев, площади листовой пластинки, формы куста и т. д.

Более выражена терморегуляция у животных организмов. В целом ее можно разделить на следующие группы: химическая, физиологическая, физическая (морфологическая) и поведенческая.

Химическая терморегуляция заключается в увеличении теплопродукции в организме в ответ на понижение температуры среды. Для этого у некоторых млекопитающих есть так называемая «бурая» жировая ткань. В результате химических процессов, связанных с окислением жиров в этой ткани, происходит высвобождение энергии, идущей на обогрев организма.

Химическая терморегуляция осуществляется рефлекторным путем. Сигналы об изменении температуры среды поступают на терморецепторы, затем в центральную нервную систему, которая запускает механизмы, регулирующие окислительно-восстановительные реакции в организме.

Широко распространены физиологические адаптации. У многих арктических птиц ноги совершенно неопушены. В условиях севера через голые конечности должно теряться много тепла. Однако чтобы этого не происходило, у птиц имеется механизм, названный противоточным теплообменником. Артерии, несущие теплую кровь к ногам, охлаждаются, так как они проходят рядом с венами, несущими кровь обратно. Таким образом, тепло передается венозной крови и возвращается обратно в тело, а не рассеивается в окружающую среду. Физиологические адаптации могут проявляться и несколько иными способами. Например, колибри, впадая в состояние оцепения, могут снижать температуру тела с +40 до +20 °С. Это же отчасти касается и животных, впадающих в зимнюю спячку.

Регулирование температуры тела у некоторых животных достигается и путем изменения испарения влаги. Человек при сильной жаре может за сутки выделить до 12 л пота.

Очень выгодны физические (морфологические) адаптации животных по отношению к температуре окружающей среды. Благодаря таким приспособлениям тепло дольше сохраняется в теле, расход энергии минимален. Теплоотдача регулируется густотой волосяного или перьевого покрова, углом его наклона и т. д.

Морфологические адаптации животных по отношению к температуре подчиняются нескольким правилам, распространяющимся на организмы, обитающие в разных широтах.

Правило Бергмана: более крупные виды из принадлежащих к определенной систематической группе гомойотермных животных живут в наиболее холодных климатических зонах. У позвоночных животных оно подтверждается в 50% случаев, у птиц — в 75—90 %. Например, в центре Антарктиды обитает самый крупный королевский пингвин, достигающий роста 1,2 м и веса до 34 кг. Самый мелкий живет на Галапагосских островах вблизи экватора и не превышает 50 см величины. Белый медведь Арктики имеет вес до 1000 кг, бурый медведь — до 750 кг, а малайский медведь — всего 65 кг.

Правило Алена: у млекопитающих в северном полушарии в районах с холодным климатом происходит уменьшение поверхности (размеров) выступающих частей тела: ушей и хвоста, а шея и лапы становятся короче. Хорошим примером здесь являются лисицы: фенек Сахары имеет длинные конечности и огромные уши, лисица умеренных широт более приземиста, а уши ее намного короче (см. рисунок 4). У песцов, живущих на севере, очень маленькие уши и короткая морда. Аналогично изменяются и уши у зайцев (см. рисунок 5).

Рисунок 4. Относительный размер ушных раковин у лисиц.

1- африканская лисица, 2 - европейская лисица, 3 - песец

Рисунок 5. Относительный размер ушных раковин у зайцев. Слева направо: беляк; толай; американский заяц

Правило Глогера: виды животных, обитающих в холодных и влажных зонах, имеют более интенсивную пигментацию тела (чаще черную или темно-коричневую), чем обитатели теплых и сухих областей, что позволяет им аккумулировать достаточное количество тепла. Однако это правило не всегда достоверно.

Животные могут регулировать температуру благодаря всевозможным поведенческим реакциям.

Ящерицы рано утром при низкой температуре воздуха выбирают наиболее теплые участки, стараясь располагаться так, чтобы солнечные лучи падали на животное почти под прямым углом. Это увеличивает количество тепла, получаемого ящерицей. По мере повышения температуры воздуха ящерицы покидают занятые утром места и подыскивают иные. В самую жару эти животные предпочитают прятаться в норы, под камни и коряги, где прохладнее, чем на открытых участках. Такое поведение позволяет ящерицам максимально увеличивать свою активность и использовать для жизнедеятельности весь световой день.