Rozmanitost života na naší planetě je pozoruhodná svým rozsahem. Nedávné studie kanadských vědců uvádějí číslo 8,7 milionu druhů zvířat, rostlin, hub a mikroorganismů, které obývají naši planetu. Navíc je popsáno jen asi 20 % z nich, a to je 1,5 milionu nám známých druhů. Živé organismy osídlily všechny ekologické niky na planetě. V biosféře není místo, kde by nebyl život. Ve výdechech sopek a na vrcholu Everestu – všude najdeme život v jeho různých projevech. A nepochybně příroda vděčí za takovou rozmanitost a distribuci tomu, že se v procesu evoluce objevil fenomén teplokrevnosti (homeotermní organismy).
Hranicí života je teplota
Základem života je tělesný metabolismus, který závisí na rychlosti a povaze chemických procesů. ALEtyto chemické reakce jsou možné pouze v určitém teplotním rozmezí, s vlastními indikátory a dobou působení. Pro větší počet organismů se za hraniční ukazatele teplotního režimu prostředí uvažují od 0 do +50 stupňů Celsia.
To je ale spekulativní závěr. Bylo by přesnější říci, že teplotní limity života budou ty, při kterých nedochází k denaturaci proteinů, stejně jako nevratné změny v koloidních charakteristikách cytoplazmy buněk, narušení aktivity životně důležitých enzymů. A mnoho organismů si vyvinulo vysoce specializované enzymatické systémy, které jim umožnily žít v podmínkách daleko za těmito limity.
Environmentální klasifikace
Hranice optimálních teplot života určují rozdělení forem života na planetě do dvou skupin – kryofilní a termofilní. První skupina preferuje chlad pro život a je specializovaná na život v takových podmínkách. Více než 80 % biosféry planety tvoří chladné oblasti s průměrnou teplotou +5 °C. Jsou to hlubiny oceánů, pouště Arktidy a Antarktidy, tundra a vysočiny. Zvýšená odolnost proti chladu je zajištěna biochemickými adaptacemi.
Enzymatický systém kryofilů účinně snižuje aktivační energii biologických molekul a udržuje metabolismus v buňce při teplotě blízké 0 °C. Adaptace přitom jdou dvěma směry – v získávání odolnosti (opozice) nebo tolerance (odolnosti) vůči chladu. Ekologická skupina teplomilných jsou organismy, které jsou optimální projejichž životy jsou oblasti s vysokými teplotami. Jejich životní činnost zajišťuje i specializace biochemických adaptací. Za zmínku stojí, že s komplikací organizace těla klesá jeho schopnost termofilie.
Tělesná teplota
Bilance tepla v živém systému je souhrn jeho přílivu a odtoku. Tělesná teplota organismů závisí na okolní teplotě (exogenní teplo). Povinným atributem života je navíc endogenní teplo – produkt vnitřního metabolismu (oxidační procesy a odbourávání kyseliny adenosintrifosforečné). Životní aktivita většiny druhů na naší planetě závisí na exogenním teple a jejich tělesná teplota závisí na průběhu okolních teplot. Jedná se o poikilotermní organismy (poikilos - různé), u kterých je tělesná teplota proměnlivá.
Poikilotermy jsou všechny mikroorganismy, houby, rostliny, bezobratlí a většina strunatců. A pouze dvě skupiny obratlovců - ptáci a savci - jsou homoiotermní organismy (homoios - podobné). Udržují stálou tělesnou teplotu bez ohledu na okolní teplotu. Říká se jim také teplokrevní živočichové. Jejich hlavním rozdílem je přítomnost silného toku vnitřního tepla a systému termoregulačních mechanismů. Výsledkem je, že v homoiotermních organismech probíhají všechny fyziologické procesy při optimálních a konstantních teplotách.
Pravda a nepravda
Některé poikilotermyorganismy, jako jsou ryby a ostnokožci, mají také stálou tělesnou teplotu. Žijí v podmínkách stálých vnějších teplot (hlubiny oceánu nebo jeskyně), kde se okolní teplota nemění. Říká se jim falešně homoiotermní organismy. Mnoho zvířat, která prožívají hibernaci nebo dočasnou torpor, má kolísající tělesnou teplotu. Tyto skutečně homoiotermní organismy (příklady: svišti, netopýři, ježci, rorýsi a další) se nazývají heterotermní.
Milá aromorphosis
Výskyt homoiotermie u živých bytostí je velmi energeticky náročná evoluční akvizice. Učenci se stále přou o původ této progresivní změny struktury, která vedla ke zvýšení úrovně organizace. Pro původ teplokrevných organismů bylo navrženo mnoho teorií. Někteří badatelé připouštějí, že tuto vlastnost mohli mít i dinosauři. Ale se všemi neshodami vědců je jedna věc jistá: výskyt homoiotermních organismů je bioenergetický jev. A komplikace forem života jsou spojeny s funkčním zlepšením mechanismů přenosu tepla.
Teplotní kompenzace
Schopnost některých poikilotermních organismů udržovat stálou úroveň metabolických procesů v širokém rozsahu změn tělesné teploty je zajištěna biochemickými adaptacemi a nazývá se teplotní kompenzace. Je založena na schopnosti některých enzymů měnit svou konfiguraci s klesající teplotou a zvyšovat svou afinitu k substrátu, čímž se zvyšuje rychlost reakcí. Například u mlžů mušleV Barentsově moři spotřeba kyslíku nezávisí na okolních teplotách, které se pohybují od 25 °C (+5 do +30 °C).
Střední formy
Evoluční biologové našli stejné zástupce přechodných forem od poikilotermních po teplokrevné savce. Kanadští biologové z Brock University objevili sezónní teplokrevnost u argentinského černobílého tegu (Alvator merianae). Tento téměř metrový ještěr žije v Jižní Americe. Jako většina plazů se tegu přes den vyhřívá na slunci a na noc se schovává v norách a jeskyních, kde se ochlazuje. Ale během období rozmnožování od září do října se teplota tegu, dechová frekvence a rytmus srdečních kontrakcí ráno prudce zvyšují. Teplota těla ještěrky může překročit teplotu v jeskyni o deset stupňů. To dokazuje přechod forem od chladnokrevných zvířat k homoiotermním zvířatům.
Mechanismy termoregulace
Homoiotermní organismy vždy pracují na zajištění chodu hlavních systémů – oběhového, dýchacího, vylučovacího – generováním minimální produkce tepla. Toto minimum produkované v klidu se nazývá bazální metabolismus. Přechod do aktivního stavu u teplokrevných živočichů zvyšuje produkci tepla a oni potřebují mechanismy ke zvýšení přenosu tepla, aby se zabránilo denaturaci bílkovin.
Proces dosažení rovnováhy mezi těmito procesy zajišťuje chemická a fyzikální termoregulace. Tyto mechanismy zajišťují ochranu homoiotermních organismů před nízkými teplotami apřehřívání. Mechanismy pro udržení konstantní tělesné teploty (chemická a fyzikální termoregulace) mají různé zdroje a jsou velmi různorodé.
Chemická termoregulace
V reakci na pokles teploty prostředí teplokrevní živočichové reflexně zvyšují produkci endogenního tepla. Toho je dosaženo zvýšením oxidačních procesů, zejména ve svalových tkáních. Nekoordinovaná svalová kontrakce (třes) a termoregulační tonus jsou první fáze zvyšování produkce tepla. Zároveň se zvyšuje metabolismus lipidů a tuková tkáň se stává klíčem k lepší termoregulaci. Savci v chladném klimatu mají dokonce hnědý tuk, jehož veškeré teplo z oxidace jde k zahřátí těla. Tento energetický výdej vyžaduje, aby zvíře buď konzumovalo velké množství potravy, nebo mělo značné tukové zásoby. Při nedostatku těchto zdrojů má chemická termoregulace své limity.
Mechanismy fyzické termoregulace
Tento typ termoregulace nevyžaduje dodatečné náklady na výrobu tepla, ale provádí se uchováním endogenního tepla. Provádí se odpařováním (pocením), sáláním (zářením), vedením tepla (vedením) a konvekcí pokožky. Metody fyzikální termoregulace se vyvinuly v průběhu evoluce a jsou stále dokonalejší při studiu fylogenetických řad od hmyzožravců a netopýrů po savce.
Příkladem takové regulace je zúžení nebo rozšíření krevních kapilár kůže, které se měnítepelná vodivost, tepelně-izolační vlastnosti srsti a peří, protiproudá výměna tepla krve mezi povrchovými cévami a cévami vnitřních orgánů. Odvod tepla je regulován sklonem srsti a peří, mezi nimiž je udržována vzduchová mezera.
U mořských savců je podkožní tuk distribuován po celém těle a chrání endo-teplo. Například u tuleňů dosahuje takový tukový pytel až 50 % celkové hmotnosti. Proto sníh pod těsněními ležícími na ledu hodiny neroztaje. Pro zvířata žijící v horkém klimatu by rovnoměrné rozložení tělesného tuku po celém povrchu těla bylo fatální. Proto se jejich tuk hromadí pouze v určitých částech těla (hrb velblouda, tlustý ocas ovce), což nebrání odpařování z celého povrchu těla. Zvířata severního chladného klimatu mají navíc speciální tukovou tkáň (hnědý tuk), která se zcela využívá k zahřívání těla.
Jižnější – větší uši a delší nohy
Různé části těla nejsou zdaleka ekvivalentní z hlediska přenosu tepla. Pro udržení přenosu tepla je důležitý poměr povrchu tělesa a jeho objemu, protože objem vnitřního tepla závisí na hmotnosti tělesa a k přenosu tepla dochází skrz vrstvy. Vyčnívající části těla mají velký povrch, což je dobré pro horké klima, kde teplokrevní živočichové potřebují velký přenos tepla. Například velké uši s mnoha krevními cévami, dlouhé končetiny a ocas jsou typické pro obyvatele horkého klimatu (slon, liška fenek, africkájerboa s dlouhýma ušima). V chladných podmínkách se adaptace řídí cestou úspory prostoru k objemu (uši a ocas tuleňů).
Pro teplokrevné živočichy platí další zákon – čím severněji žijí zástupci jedné fylogenetické skupiny, tím jsou větší. A to souvisí také s poměrem objemu odpařovací plochy a tím i tepelných ztrát a hmotnosti zvířete.
Etologie a přenos tepla
Funkce chování také hrají důležitou roli v procesech přenosu tepla, a to jak u poikilotermních, tak u poikilotermních zvířat. To zahrnuje změny v držení těla, stavbu úkrytů a různé migrace. Čím větší hloubka otvoru, tím hladší průběh teplot. Ve středních zeměpisných šířkách, v hloubce 1,5 metru, jsou sezónní výkyvy teplot nepostřehnutelné.
Skupinové chování se také používá pro termoregulaci. Tučňáci se k sobě choulí a pevně k sobě přilnou. Uvnitř haldy se teplota blíží tělesné teplotě tučňáků (+37 °C) i v těch nejkrutějších mrazech. Velbloudi dělají totéž - ve středu skupiny je teplota asi +39 °C a srst nejvzdálenějších zvířat se může zahřát až na +70 °C.
Hibernace je speciální strategie
Torpidní stav (stupor) nebo hibernace jsou speciální strategie teplokrevných živočichů, které umožňují využívat změny tělesné teploty pro adaptační účely. V tomto stavu zvířata přestávají udržovat tělesnou teplotu a snižují ji téměř na nulu. Hibernace je charakterizována snížením rychlosti metabolismu aspotřebu akumulovaných zdrojů. Jedná se o dobře regulovaný fyziologický stav, kdy se termoregulační mechanismy přepnou na nižší úroveň – srdeční frekvence se sníží (např. u plcha ze 450 na 35 tepů za minutu), spotřeba kyslíku se sníží 20-100krát.
Probuzení vyžaduje energii a probíhá samoohřevem, což nelze zaměňovat se strnulostí chladnokrevných živočichů, kde je způsobeno poklesem okolní teploty a jde o stav neregulovaný tělem samotným (probuzení dochází pod vlivem vnějších faktorů).
Stupor je také regulovaný stav, ale tělesná teplota klesá jen o několik stupňů a často doprovází cirkadiánní rytmy. Například kolibříci v noci otupí, když jejich tělesná teplota klesne ze 40 °C na 18 °C. Mezi toporem a hibernací je mnoho přechodů. I když tedy spánek medvědů v zimním spánku nazýváme zimní hibernací, ve skutečnosti se jejich metabolismus mírně snižuje a tělesná teplota klesá pouze o 3-6 °C. V tomto stavu medvědice rodí mláďata.
Proč je ve vodním prostředí málo homoiotermních organismů
Mezi hydrobionty (organismy žijícími ve vodním prostředí) je málo zástupců teplokrevných živočichů. Velryby, delfíni, tuleni jsou sekundární vodní živočichové, kteří se vrátili do vodního prostředí ze země. Teplokrevnost je spojena především se zvýšením metabolických procesů, jejichž základem jsou oxidační reakce. A kyslík zde hraje hlavní roli. A jak víte, vve vodním prostředí není obsah kyslíku vyšší než 1 % obj. Difúze kyslíku ve vodě je tisíckrát menší než ve vzduchu, a proto je ještě méně dostupná. Navíc se zvýšením teploty a obohacením vody o organické sloučeniny klesá obsah kyslíku. To vše činí existenci velkého množství teplokrevných organismů ve vodním prostředí energeticky nepříznivou.
Pro a proti
Hlavní výhodou teplokrevných zvířat oproti studenokrevným je jejich ochota jednat bez ohledu na okolní teplotu. Toto je příležitost odolat nočním teplotám blízkým bodu mrazu a rozvoji severních území země.
Hlavní nevýhodou teplokrevnosti je vysoká spotřeba energie na udržení konstantní tělesné teploty. A hlavním zdrojem toho je jídlo. Teplokrevný lev potřebuje desetkrát více potravy než chladnokrevný krokodýl stejné hmotnosti.
