La diversité de la vie sur notre planète est frappante par son ampleur. Des études récentes menées par des scientifiques canadiens donnent le chiffre de 8,7 millions d'espèces d'animaux, de plantes, de champignons et de micro-organismes qui peuplent notre planète. De plus, seuls environ 20% d'entre eux sont décrits, et cela représente 1,5 million d'espèces que nous connaissons. Les organismes vivants ont peuplé toutes les niches écologiques de la planète. Il n'y a aucun endroit dans la biosphère où il n'y aurait pas de vie. Dans les évents des volcans et au sommet de l'Everest - partout, nous trouvons la vie dans ses diverses manifestations. Et, sans aucun doute, la nature doit une telle diversité et distribution à l'apparition dans le processus d'évolution du phénomène du sang chaud (organismes homéothermes).
La frontière de la vie est la température
La base de la vie est le métabolisme du corps, qui dépend de la vitesse et de la nature des processus chimiques. MAISces réactions chimiques ne sont possibles que dans une certaine plage de température, avec leurs propres indicateurs et durée d'exposition. Pour un plus grand nombre d'organismes, les indicateurs de limite du régime de température de l'environnement sont considérés comme allant de 0 à +50 degrés Celsius.
Mais c'est une conclusion spéculative. Il serait plus exact de dire que les limites de température de la vie seront celles auxquelles il n'y a pas de dénaturation des protéines, ainsi que des modifications irréversibles des caractéristiques colloïdales du cytoplasme des cellules, une violation de l'activité des enzymes vitales. Et de nombreux organismes ont développé des systèmes enzymatiques hautement spécialisés qui leur ont permis de vivre dans des conditions bien au-delà de ces limites.
Classement environnemental
Les limites des températures de vie optimales déterminent la division des formes de vie sur la planète en deux groupes: les cryophiles et les thermophiles. Le premier groupe préfère le froid à vie et est spécialisé pour vivre dans de telles conditions. Plus de 80 % de la biosphère de la planète sont des régions froides avec une température moyenne de +5 °C. Ce sont les profondeurs des océans, les déserts de l'Arctique et de l'Antarctique, la toundra et les hautes terres. Une résistance accrue au froid est fournie par des adaptations biochimiques.
Le système enzymatique des cryophiles diminue efficacement l'énergie d'activation des molécules biologiques et maintient le métabolisme dans la cellule à une température proche de 0 °C. Dans le même temps, les adaptations vont dans deux sens - dans l'acquisition de la résistance (opposition) ou de la tolérance (résistance) au froid. Le groupe écologique des thermophiles sont des organismes qui sont optimaux pourdont les vies sont des zones de hautes températures. Leur activité vitale est également assurée par la spécialisation des adaptations biochimiques. Il convient de mentionner qu'avec la complication de l'organisation du corps, sa capacité à la thermophilie diminue.
Température corporelle
L'équilibre de la chaleur dans un système vivant est la totalité de ses entrées et sorties. La température corporelle des organismes dépend de la température ambiante (chaleur exogène). De plus, un attribut obligatoire de la vie est la chaleur endogène - un produit du métabolisme interne (processus oxydatifs et dégradation de l'acide adénosine triphosphorique). L'activité vitale de la plupart des espèces de notre planète dépend de la chaleur exogène, et leur température corporelle dépend de l'évolution des températures ambiantes. Ce sont des organismes poïkilothermes (poikilos - divers), dans lesquels la température corporelle est variable.
Les poïkilothermes sont tous les micro-organismes, champignons, plantes, invertébrés et la plupart des accords. Et seuls deux groupes de vertébrés - les oiseaux et les mammifères - sont des organismes homoiothermiques (homoios - similaires). Ils maintiennent une température corporelle constante, quelle que soit la température ambiante. Ils sont aussi appelés animaux à sang chaud. Leur principale différence est la présence d'un puissant flux de chaleur interne et d'un système de mécanismes de thermorégulation. En conséquence, dans les organismes homoiothermes, tous les processus physiologiques se déroulent à des températures optimales et constantes.
Vrai et Faux
Certains poïkilothermesdes organismes tels que les poissons et les échinodermes ont également une température corporelle constante. Ils vivent dans des conditions de températures extérieures constantes (les profondeurs de l'océan ou des grottes), où la température ambiante ne change pas. On les appelle des organismes faussement homoiothermiques. De nombreux animaux en hibernation ou en torpeur temporaire ont une température corporelle fluctuante. Ces organismes véritablement homoiothermes (exemples: marmottes, chauves-souris, hérissons, martinets et autres) sont appelés hétérothermes.
Cher aromorphose
L'apparition de l'homothermie chez les êtres vivants est une acquisition évolutive très énergivore. Les chercheurs s'interrogent encore sur l'origine de ce changement progressif de structure, qui a conduit à une augmentation du niveau d'organisation. De nombreuses théories ont été proposées sur l'origine des organismes à sang chaud. Certains chercheurs admettent que même les dinosaures pourraient avoir cette caractéristique. Mais avec tous les désaccords des scientifiques, une chose est sûre: l'apparition d'organismes homoiothermiques est un phénomène bioénergétique. Et la complication des formes de vie est associée à l'amélioration fonctionnelle des mécanismes de transfert de chaleur.
Compensation de température
La capacité de certains organismes poïkilothermes à maintenir un niveau constant de processus métaboliques dans une large gamme de changements de température corporelle est fournie par des adaptations biochimiques et est appelée compensation de température. Il est basé sur la capacité de certaines enzymes à modifier leur configuration avec une température décroissante et à augmenter leur affinité avec le substrat, augmentant ainsi la vitesse des réactions. Par exemple, dans les moules bivalvesDans la mer de Barents, la consommation d'oxygène ne dépend pas des températures ambiantes, qui vont de 25 °C (+5 à +30 °C).
Formes intermédiaires
Les biologistes de l'évolution ont trouvé les mêmes représentants des formes transitionnelles des mammifères poïkilothermes aux mammifères à sang chaud. Des biologistes canadiens de l'Université Brock ont découvert le sang chaud saisonnier chez le tégu argentin noir et blanc (Alvator merianae). Ce lézard de près d'un mètre vit en Amérique du Sud. Comme la plupart des reptiles, le tegu se prélasse au soleil pendant la journée et se cache dans des terriers et des grottes la nuit, où il se refroidit. Mais pendant la saison de reproduction de septembre à octobre, la température du tégu, le rythme respiratoire et le rythme des contractions cardiaques du matin augmentent fortement. La température corporelle d'un lézard peut dépasser de dix degrés la température d'une grotte. Cela prouve la transition des formes des animaux à sang froid aux animaux homoiothermes.
Mécanismes de thermorégulation
Les organismes homoothermiques travaillent toujours pour assurer le fonctionnement des principaux systèmes - circulatoire, respiratoire, excréteur - en générant un minimum de production de chaleur. Ce minimum produit au repos est appelé métabolisme de base. La transition vers l'état actif chez les animaux à sang chaud augmente la production de chaleur, et ils ont besoin de mécanismes pour augmenter le transfert de chaleur afin d'empêcher la dénaturation des protéines.
Le processus d'obtention d'un équilibre entre ces processus est assuré par la thermorégulation chimique et physique. Ces mécanismes assurent la protection des organismes homoiothermes contre les basses températures etsurchauffe. Les mécanismes de maintien d'une température corporelle constante (thermorégulation chimique et physique) ont différentes sources et sont très divers.
Thermorégulation chimique
En réponse à une diminution de la température ambiante, les animaux à sang chaud augmentent par réflexe la production de chaleur endogène. Ceci est réalisé en augmentant les processus oxydatifs, en particulier dans les tissus musculaires. La contraction musculaire non coordonnée (tremblement) et le tonus thermorégulateur sont les premières étapes de l'augmentation de la production de chaleur. Dans le même temps, le métabolisme des lipides augmente et le tissu adipeux devient la clé d'une meilleure thermorégulation. Les mammifères dans un climat froid ont même de la graisse brune, dont toute la chaleur de l'oxydation va réchauffer le corps. Cette dépense énergétique oblige l'animal soit à consommer une grande quantité de nourriture, soit à disposer de réserves de graisse importantes. Faute de ces moyens, la thermorégulation chimique a ses limites.
Mécanismes de thermorégulation physique
Ce type de thermorégulation ne nécessite pas de surcoût pour la production de chaleur, mais s'effectue en préservant la chaleur endogène. Elle est réalisée par évaporation (transpiration), rayonnement (rayonnement), conduction thermique (conduction) et convection de la peau. Les méthodes de thermorégulation physique se sont développées au cours de l'évolution et se perfectionnent de plus en plus dans l'étude des séries phylogénétiques depuis les insectivores et les chauves-souris jusqu'aux mammifères.
Un exemple d'une telle régulation est le rétrécissement ou l'expansion des capillaires sanguins de la peau, qui changeconductivité thermique, propriétés calorifuges de la fourrure et des plumes, échange de chaleur à contre-courant du sang entre les vaisseaux superficiels et les vaisseaux des organes internes. La dissipation de la chaleur est régulée par la pente des poils et des plumes, entre lesquelles un espace d'air est maintenu.
Chez les mammifères marins, la graisse sous-cutanée est distribuée dans tout le corps, protégeant l'endo-chaleur. Par exemple, chez les phoques, un tel sac de graisse atteint jusqu'à 50% du poids total. C'est pourquoi la neige ne fond pas sous les phoques allongés sur la glace pendant des heures. Pour les animaux vivant dans des climats chauds, une répartition uniforme de la graisse corporelle sur toute la surface du corps serait fatale. Par conséquent, leur graisse ne s'accumule que dans certaines parties du corps (la bosse d'un chameau, la queue grasse d'un mouton), ce qui n'empêche pas l'évaporation de toute la surface du corps. De plus, les animaux du climat froid du nord ont un tissu adipeux spécial (graisse brune), qui est entièrement utilisé pour le chauffage du corps.
Plus au sud - de plus grandes oreilles et des jambes plus longues
Les différentes parties du corps sont loin d'être équivalentes en termes de transfert de chaleur. Pour maintenir le transfert de chaleur, le rapport entre la surface du corps et son volume est important, car le volume de chaleur interne dépend de la masse du corps et le transfert de chaleur se produit à travers les téguments. Les parties saillantes du corps ont une grande surface, ce qui est bon pour les climats chauds, où les animaux à sang chaud ont besoin de beaucoup de transfert de chaleur. Par exemple, de grandes oreilles avec de nombreux vaisseaux sanguins, de longs membres et une queue sont typiques des habitants d'un climat chaud (éléphant, fennec, renard africain).gerboise à longues oreilles). Par temps froid, l'adaptation suit le chemin de l'économie de surface au volume (oreilles et queue des phoques).
Il existe une autre loi pour les animaux à sang chaud: plus les représentants d'un groupe phylogénétique se trouvent plus au nord, plus ils sont grands. Et cela est également lié au rapport entre le volume de la surface d'évaporation et, par conséquent, la perte de chaleur et la masse de l'animal.
Éthologie et transfert de chaleur
Les caractéristiques comportementales jouent également un rôle important dans les processus de transfert de chaleur, à la fois pour les animaux poïkilothermes et homéothermes. Cela comprend des changements de posture, la construction d'abris et diverses migrations. Plus la profondeur du trou est grande, plus l'évolution des températures est douce. Pour les latitudes moyennes, à une profondeur de 1,5 mètre, les fluctuations saisonnières de température sont imperceptibles.
Le comportement de groupe est également utilisé pour la thermorégulation. Ainsi, les pingouins se blottissent les uns contre les autres, étroitement accrochés les uns aux autres. A l'intérieur du tas, la température est proche de la température corporelle des manchots (+37°C) même dans les gelées les plus sévères. Les chameaux font de même - au centre du groupe, la température est d'environ +39 °C et la fourrure des animaux les plus à l'extérieur peut être chauffée jusqu'à +70 °C.
L'hibernation est une stratégie spéciale
L'état torpide (stupeur) ou l'hibernation sont des stratégies particulières des animaux à sang chaud qui permettent d'utiliser les changements de température corporelle à des fins adaptatives. Dans cet état, les animaux cessent de maintenir la température corporelle et la réduisent à presque zéro. L'hibernation se caractérise par une diminution du taux métabolique etconsommation des ressources accumulées. Il s'agit d'un état physiologique bien régulé, lorsque les mécanismes de thermorégulation passent à un niveau inférieur - la fréquence cardiaque diminue (par exemple, dans un loir de 450 à 35 battements par minute), la consommation d'oxygène diminue de 20 à 100 fois.
Le réveil nécessite de l'énergie et se produit par auto-échauffement, qu'il ne faut pas confondre avec la stupeur des animaux à sang froid, où il est causé par une baisse de la température ambiante et est un état non régulé par le corps lui-même (réveil se produit sous l'influence de facteurs externes).
La stupeur est aussi un état régulé, mais la température corporelle ne baisse que de quelques degrés et accompagne souvent les rythmes circadiens. Par exemple, les colibris s'engourdissent la nuit lorsque leur température corporelle chute de 40°C à 18°C. Il existe de nombreuses transitions entre la torpeur et l'hibernation. Ainsi, bien que nous appelions le sommeil des ours en hibernation hivernale, en fait, leur métabolisme diminue légèrement et leur température corporelle ne baisse que de 3 à 6 ° C. C'est dans cet état que l'ourse donne naissance à des oursons.
Pourquoi y a-t-il peu d'organismes homoiothermes dans le milieu aquatique
Parmi les hydrobiontes (organismes vivant dans le milieu aquatique), il y a peu de représentants d'animaux à sang chaud. Les baleines, les dauphins, les otaries à fourrure sont des animaux aquatiques secondaires qui sont revenus dans le milieu aquatique depuis la terre. Le sang chaud est principalement associé à une augmentation des processus métaboliques, dont la base est les réactions d'oxydation. Et l'oxygène joue ici un rôle majeur. Et, comme vous le savez, dansdans le milieu aquatique, la teneur en oxygène n'est pas supérieure à 1 % en volume. La diffusion de l'oxygène dans l'eau est des milliers de fois moindre que dans l'air, ce qui le rend encore moins disponible. De plus, avec une augmentation de la température et un enrichissement de l'eau en composés organiques, la teneur en oxygène diminue. Tout cela rend l'existence d'un grand nombre d'organismes à sang chaud dans le milieu aquatique énergétiquement défavorable.
Pour et contre
Le principal avantage des animaux à sang chaud par rapport aux animaux à sang froid est leur volonté d'agir quelle que soit la température ambiante. C'est l'occasion de résister à des températures nocturnes proches du point de congélation, et au développement des territoires du nord de la terre.
Le principal inconvénient du sang chaud est la consommation d'énergie élevée pour maintenir une température corporelle constante. Et la principale source de cela est la nourriture. Un lion à sang chaud a besoin de dix fois plus de nourriture qu'un crocodile à sang froid de même poids.
