Температура як екологічний фактор. Вплив температури на життєві процеси. Пойкілотермні та гомойотермні організми. Стратегії теплообміну.

Залежно від температури на Землі, починаючи від екватора, виділяють декілька кліматичних зон: 1. Тропічна. Мінімальна середня температура понад +16°С. 2. Субтропічна. 3. Помірно тепла. Максимальна середня температура вища 0°С, але нижча +16°С. 4. Помірно холодна. Середня річна температура вища 0°С. 5. Холодна полярна. Середньорічна температура нижче 0°С.

При мінімальній температурі процес лише починається, при оптимальній він перебігає найінтенсивніше, при максимальній припиняється.

Від температури значною мірою залежить хід фотосинтезу та транспірації. У більшості рослин найінтенсивніше фотосинтез протікає при температурі понад +20-25°С. Встановлено, що при температурі понад +30~35°С процес фотосинтезу сповільнюється, а при температурі +40-45°С припиняється.

Хід температури впливає на процес нагромадження органічної речовини. З підвищенням температури на кожні 10°С швидкість хімічних реакцій при диханні майже подвоюється. Якщо рослина не має спеціальних пристосувань для захисту від дії високих температур, то при нагріванні до +50°С у багатьох з них крива дихання різко падає вниз і рослини гинуть. Наприклад, пошкодження листя картоплі спостерігається вже при температурі +40°С. Однак в умовах, де високі температури є звичайним явищем і тривають довший час, більшість рослин пристосувались переносити жаркий період у стані анабіозу.

Температура впливає на кореневе харчування рослин. Цей процес можливий лише тоді, коли температура ґрунту буде на декілька градусів нижча температури повітря. Якщо температура ґрунту і повітря однакова (+22°С), то стан рослин різко погіршується і вони не дають квітів (льон, гречка). При подальшому підвищенні температури ґрунту до +34°С починався відпад вершкових бруньок, стебел, а згодом гинула вся рослина. Негативно впливають на рослину і такі умови, коли температура ґрунту є низькою, а повітря – високою. Це призводить до послаблення всмоктування поживних речовин.

Ррозрізняють дві групи рослин: Теплолюбними називають рослини, які добре розвиваються в умовах високих температур, холодолюбними – рослини, які можуть рости в умовах досить низьких температур.Справжніми термофілами є рослини-вихідці з тропічних районів. Вони зовсім не переносять низьких температур і гинуть уже при 0°С.

Багато термофільних видів можуть переносити дуже високі температури (верблюжа колючка +70°С, синьо-зелені водорості +75°С). Однак у більшості рослин уже при температурі +40°С спостерігаються ознаки пригнічення, а при 45-50°С багато з них гине. Загибель рослин при високих температурах багато в чому пояснюється дією аміаку, що нагромаджується в тканинах у процесі розпаду білків й амінокислот, а також дією інших речовин типу токсинів, які отруюють цитоплазму. При температурі від +50°С і вище до цієї отруюючої дії приєднується згорання цитоплазми, що прискорює процес відмирання.

У жаростійких рослин розвинута здатність нагромаджувати органічні кислоти, які зв'язують аміак, роблячи його нешкідливим для рослин. Крім жаростійких клітин і тканин ці види в процесі еволюції здобули такі захисні властивості, як скорочення поверхні рослин, розвиток волосків, поява ефірних залоз, виділення солей, кристали яких заломлюють сонячне проміння, а також поширений анабіоз – тимчасове припинення або уповільнення життєвих процесів.

Часто рослини страждають від низьких температур. За ступенем адаптації до умов крайнього дефіциту тепла можна виділити три групи рослин:

1. Нехолодостійкі – сильно пошкоджуються або гинуть при температурах, вищих за точку замерзання води. Загибель пов'язана з інактивацією ферментів, порушенням обміну нуклеїнових кислот і білків, руйнуванням мембран і припиненням дії асиміляторів. Це рослини дощових тропічних лісів, водорості теплих морів.

2. Неморозостійкі – переносять низькі температури, але гинуть, як тільки у тканинах починає утворюватись лід. При настанні холодного періоду року в них підвищується концентрація осмотично активних речовин у клітинному соці і цитоплазмі, що знижує точку замерзання до -5°…-7°С. Вода у клітинах може охолоджуватися нижче точки замерзання без остаточного утворення льоду. Переохолоджений стан нестійкий і триває до кількох годин, що дає змогу рослинам переносити приморозки. Це стосується вічнозелених субтропічних видів. У період вегетації всі листяні рослини неморозостійкі.

3. Морозостійкі, або льодостійкі, – ростуть у регіонах з сезонним кліматом і холодними зимами. Під час сильних морозів наземні органи дерев і чагарників промерзають, але зберігають життєвість. Ці рослини, готуючись до морозів, поступово проходять попереднє загартовування після того, як закінчаться ростові процеси. Загартовування – це нагромадження у клітинах цукрів (до 20-30%), похідних вуглеводів, деяких амінокислот та інших захисних речовин, які зв'язують воду. Після закінчення зимового спокою загартування втрачається. Весняні приморозки, які настають раптово, можуть пошкодити ростові пагони і особливо квіти навіть у морозостійких рослин.

За ступенем адаптації до високих температур виділяють такі групи організмів:

1) нежаростійкі – пошкоджуються вже при температурі 30-40°С, (водні квіткові, наземні мезофіти);

2) жаровитривалі еукаріоти – рослини сухих місцезростань з сильною інсоляцією (степи, пустелі, савани, сухі субтропіки і т.п.) переносять півгодинне нагрівання до 50-60°С;

3) жаростійкі прокаріоти – термофільні бактерії і деякі види синьо-зелених водоростей, які можуть жити в гарячих джерелах при температурі 85-90°С.

Відома ще одна група рослин, які витримують температуру пожеж, що сягає сотень градусів. їх називають пірофітами (рослини саван з грубою корою і товстошкірим насінням).

Температурні адаптації тварин мають свої особливості, які можна згрупувати в три види:

1) хімічна терморегуляція – активне збільшення теплопродукції у відповідь на зниження температури;

2) фізична терморегуляція – зміна рівня тепловіддачі, завдяки особливостям волосяного чи пір'яного покриву, розподілу жирових запасів, деталям будови кров'яної системи, можливості випаровування тощо;

3) поведінка організмів – переміщуючись у просторі або змінюючи свою поведінку, тварини можуть активно уникати критичних температур.

Гомойотермні організми при зміні температури оточуючого середовища підтримують приблизно постійну температуру тіла, тоді як у пойкілотермних організмів вона змінюється. Проте і ця класифікація має один суттєвий недолік: навіть у таких класичних гомойотермних тварин, як птахи і ссавці, під час зимової сплячки чи оціпеніння температура тіла знижується. Водночас у деяких пойкілотермних видів (наприклад, в антарктичних риб) вона коливається в межах якихось часток градуса, оскільки температура їхнього оточуючого середовища є практично постійною.

Вдалим вважається поділ організмів на ендотермні та ектотермні. Ендотермні організми регулюють температуру тіла за рахунок внутрішньої терморегуляції, а екзотермні розраховують на зовнішні джерела. Такий поділ, власне кажучи, відповідає різниці між птахами і ссавцями (ендотермами), з одного боку, та іншими тваринами, рослинами, грибами і простішими (екзотермами) – з іншого.

Практично всі екзотерми мають механізм регулювання, який забезпечує зміни температури тіла після зміни температури середовища. Екзотерми повністю залежать від зовнішніх джерел тепла: тварина може переміститися в тепліше місце лише в тому випадку, якщо таке місце знайдеться, а зігрітися на сонці лише тоді, коли воно світить. Регулювання температури вимагає значної затрати енергії, яка йде і на утворення відбиваючої* кутикули (у рослин), і на переміщення у відповідне місце (у тварин). До того ж, тварина, підставляючи своє тіло теплу, ризикує потрапити на очі хижаку. Лише ефективність терморегуляції звичайно відображає компроміс між затратами і вигодами.

Швидкість утворення тепла ендотермними організмами контролюється термостатичною системою головного мозку. Температура їхнього тіла підтримується на постійному рівні (35-40°С), і тому вони, як правило, віддають тепло оточуючому середовищу. Витрати тепла сповільнюються завдяки теплоізоляції у вигляді хутра, пір'я чи підшкірного жиру і т.п. Якщо ж швидкість тепловіддачі необхідно підвищити, то і цього можна досягти шляхом регуляції підшкірного кровообігу, а також за допомогою ряду інших фізіологічних пристосувань, які є і в екзотермів, наприклад, за допомогою інтенсивного дихання або просто вибору зручного місця.

До екологічних факторів належить термоізолююча властивість снігового покриву, який відіграє величезну захисну роль в існуванні багатьох звірів, котрі мають обмежену здатність до терморегуляції (миші, полівки, землерийки), у зимовий період. Однак під снігом ховаються і крупні звірі – ведмідь, лосі, олені. Сніг є місцем відпочинку і притулку для багатьох звірів і птахів: лисиць, зайців, вовків, косуль; рябчиків, білих куріпок, глухарів, тетеревів.