Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 11 клас. Андерсон - Нова програма

§ 11. Способи терморегуляції організмів

Що таке терморегуляція?

Які особливості покриву тіла птахів і ссавців?

Поясніть значення потових залоз у терморегуляції.

Температура є важливим фактором середовища існування, адже вона істотно впливає на перебіг хімічних реакцій у клітинах. Тому організми мають способи адаптуватися до змін цього чинника.

Терморегуляція рослинного організму. Рослини здебільшого ведуть прикріплений спосіб життя, тому вони існують за тих температурних умов, які є в місцях їх зростання. У рослинному організмі утворюється мало метаболічної теплоти, що визначає обмеженість спектру способів терморегуляції.

Морфологічна терморегуляція спрямована на запобігання перегріву організму. Прикладами таких адаптацій є густе опушення листя (розсіює частину сонячних променів), глянсувата поверхня (сприяє їх відбиванню). У рослин, які мешкають в умовах жаркого клімату, адаптації спрямовані на зменшення площі листкової пластинки (рис. 45). У холодних умовах засобами запобігання втратам теплоти є особливі життєві форми, наприклад карликові й сланкі, які вможливлюють захист сніговим покривом узимку. Значна частина холодостійких рослин має темне забарвлення, що допомагає краще поглинати теплові промені.

До фізичної терморегуляції відносять транспірацію, яка є засобом виведення надлишку теплоти й запобігання опікам. За інтенсивної транспірації температура може знижуватися на 4-6 ° С, а іноді навіть на 10-15 ° С. Однак цей механізм терморегуляції ефективний лише в умовах достатнього забезпечення водою.

Рис. 45. Приклади морфологічної терморегуляції в рослин: а - кактус опунція; б - евкаліпт

У кактуса листя редуковане, має вигляд колючки, а в евкаліпта тонке листя розташоване ребром до сонячних променів.

Колючки в рослин - тверді, загострені на кінцях утвори, які є наслідком перетворення окремих органів або їхніх частин. Укажіть походження та функції колючок у троянди, барбарису, дикої груші, сосни. Чи всі вони є адаптацією до регуляції теплообміну?

Ці способи терморегуляції дозволяють рослинам виживати в екстремальних умовах. Більш істотне значення для рослин має фізіологічна терморегуляція. Прикладами таких адаптацій є накопичення в клітинах антифризів, листопад, відмирання надземних частин, зменшення кількості води в клітинах. Наприклад, під час сильних морозів надземні органи дерев і чагарників промерзають, але зберігають життєздатність, бо в клітинах не утворюється кристалічного льоду. Це зумовлено накопиченням у клітинах цукрів (до 20-30 %), похідних вуглеводів, деяких амінокислот, гідрофільних білків, які знижують температуру замерзання води, - відбувається адаптація на молекулярному рівні.

Терморегуляція тваринного організму. Найважливіша особливість тварин - їхня рухливість, здатність переміщатися в просторі - створює нові адаптивні можливості, у тому числі й у терморегуляції. Тварини можуть активно вибирати місце мешкання зі сприятливішими умовами. Відносно високий ступінь метаболізму й робота м'язів зумовлює вивільнення великої кількості енергії, зокрема й теплової.

Етологічні (поведінкові) адаптації є ще одним дієвим способом терморегуляції, адже для багатьох тварин поведінка є єдиним і дуже ефективним засобом підтримання теплового балансу (рис. 46).

Фізична терморегуляція зумовлена особливостями будови організму, які спрямовані на збереження або розсіювання теплоти. Зокрема такими адаптаціями є забарвлення тіла й наявність теплоізолювальних покривів, різна форма частин тіла. Інтенсифікація метаболічних процесів у тварин забезпечена ускладненням будови кровоносної і дихальної систем, що вможливлює досконалу терморегуляцію.

Хімічна терморегуляція пов'язана із продукцією теплоти в численних хімічних реакціях. При цьому, виділеної енергії може вистачати для того, щоб підтримувати температуру тіла значно вище температури довкілля. Відповідно до цього, виділяють різні типи терморегуляції.

Рис. 46. Приклади етологічних адаптацій у тварин

Пошук затінку - один зі способів охолодження: пташенята темного крячика використовують для цього тінь від дорослого альбатроса чорноногого.

Пінгвіни збираються в щільні групи, щоб зігрітися. Температура всередині групи може досягати +35 °C за температури навколишнього повітря -20 °C. Щоб усі перебували в рівних умовах, пінгвіни постійно переміщаються від центру до краю й назад.

Наведіть приклади етологічних адаптацій у тварин, спрямованих на регуляцію температури тіла.

На основі здатності до фізіолого-біохімічної терморегуляції тварини поділяються на дві групи. Пойкілотермні тварини не зберігають постійного теплового балансу між теплоутворенням і тепловіддачею, унаслідок чого температура тіла істотно залежить від температури навколишнього середовища (рис. 47). Гомойотермні тварини зберігають постійний тепловий баланс і підтримують постійну високу температуру тіла (рис. 48).

Особливості терморегуляції пойкілотермних і гомойотермних тварин. Пойкілотермні тварини вирізняються більш низьким рівнем обміну речовин порівняно з гомойотермними, навіть за однакової температури тіла. Наприклад, за температури +37 °C пустельна ігуана споживає кисню в 7 разів менше, ніж гризуни такого самого розміру. Через знижений рівень обміну в пойкілотермних тварин виробляється мало власної теплоти, тому можливості хімічної терморегуляції в них невеликі. Із пониженням температури середовища всі процеси життєдіяльності дуже вповільнюються, і тварини впадають у заціпеніння. У такому неактивному стані їм властива висока холодостійкість, яка забезпечується біохімічними адаптаціями.

Основний спосіб регуляції температури тіла цих тварин - етологічний (активний пошук сприятливих мікрокліматичних умов, зміна місць мешкання тощо). Наприклад, червоноклопи збираються в пошуках тепла на ділянках, добре прогрітих сонцем. У спеку тварини ховаються в тінь або в нори. У пустелях ящірки та змії заповзають на рослини, щоб уникнути дотику до розпеченої поверхні піску. Суспільні комахи будують свої житла так, щоб температура добре регулювалася. Наприклад, мурашка рудий закриває на ніч вхідний отвір у своєму гнізді сосновими голками, унаслідок чого температура підтримується на рівні +23-29 °С. Пойкілотермні тварини можуть підтримувати оптимальну температуру тіла за рахунок скорочення м'язів, зокрема, джмелі розігрівають тіло м'язовими скороченнями - тремтінням - до +35 °С.

Рис. 47. Пойкілотермні тварини

Слимак виноградний

Сонцевик павиче око

Рис. 48. Гомойотермні тварини

Кіт лісовий

Горлиця звичайна

Назвіть у зображених організмів адаптації, які забезпечують терморегуляцію.

Створіть просвітницький проект для учнів молодших класів: «Способи терморегуляції тварин», «Гомойотермні тварини моєї місцевості».

Гомойотермні тварини мають високу здатність до біохімічної терморегуляції внаслідок інтенсивного обміну речовин і виробленню великої кількості теплоти. За низьких температур у їхньому організмі посилюються окиснювальні процеси, тому вони потребують великої кількості їжі або витрачають багато жирових запасів. Ефективне використання енергоресурсів забезпечується рядом фізіологічних пристосувань: без'ядерні еритроцити в ссавців, подвійне дихання в птахів тощо.

Одним з важливих чинників, що впливає на терморегуляцію, є розміри тіла. Кількість продукованої теплоти є пропорційною об'єму організму, натомість тепловтрати - площі його поверхні. Свою чергою, об'єм пропорційний лінійним розмірам у третьому степені, а площа - у другому степені (пригадайте з курсу математики формули площі та об'єму кулі або куба). Відтак, менші організми мають більшу питому втрату теплоти, адже в них більше відношення площі до об'єму. Це має наслідком закономірність, установлену німецьким біологом Карлом Бергманом: у гомойотермних тварин одного виду або групи близьких видів розміри тіла більші в холодних частинах ареалу та менші - у теплих (рис. 49). Більша інтенсивність тепловіддачі може досягатися не лише зменшенням загальних розмірів, а й збільшенням відносних розмірів частин тіла, що виступають (лапи, вуха тощо). Тому серед споріднених видів ті, що мешкають у теплому кліматі, будуть мати більші відносні розміри таких частин тіла, порівняно з тими, що мешкають у холодних регіонах (рис. 50). Це правило було сформульоване Джоелем Асафом Аленом.

Рис. 49. Приклад вияву правила Бергмана

Пінгвін імператорський (34 кг)

Пінгвін галапагоський (2 кг)

Рис. 50. Приклад вияву правила Алена

Лисиця звичайна

Фенек - пустельна лисиця

  • 1. Дайте означення поняття терморегуляція.
  • 2. Назвіть способи терморегуляції організмів.
  • 3. Чим зумовлений обмежений спектр способів терморегуляції в рослин?
  • 4. Наведіть приклади адаптацій рослинних і тваринних організмів, які забезпечують терморегуляцію.
  • 5. Порівняйте особливості терморегуляції пойкілотермних і гомойотермних тварин.
  • 6. Поясніть біологічне та фізичне підґрунтя правил Алена та Бергмана.