§ 46. Температура как экологический фактор

Вопрос. Вспомните, какое влияние оказывает температура на прорастание семян растений. Как зависит активность животных от температуры?

Ответ. Важным условием прорастания семян является температура. Различают температуры прорастания семян минимальные, при которых прорастание едва начинается, оптимальные, при которых прорастание идет наиболее энергично, и, наконец, максимальные, при которых прорастание начинает прекращаться. Опыты показывают, что для каждого растения существуют свои температуры минимума, оптимума и максимума прорастания. Для хлебных злаков (ржи, пшеницы, овса и ячменя), а также для гречихи, конопли, льна, клевера, люцерны, вики и конского боба минимальная температура колеблется от 1 до 5°, оптимальная – от 20 до 30° и максимальная – от 28 до 37°.

Для кукурузы и подсолнечника минимальная температура от 5 до 10°, оптимальная от 30 до 35° и максимальная от 40 до 44°.

Для тыквы, дыни, риса, хлопчатника и табака минимальная температура от 10 до 15°, оптимальная от 30 до 37° и максимальная от 40 до 48°.

Для набухших семян температуры выше 50-55° оказываются губительными, воздушносухие семена выдерживают температуры не свыше 62-75°, а основательно просушенные выдерживают даже до 100 и 110°.

Ненабухшие семена способны также переносить низкие температуры – до -60° и ниже. В опытах Р. Коха обезвоженные семена выдерживали охлаждение до -180° и даже до -235°.

Температура влияет на скорость происходящих в телах организмов реакций метаболизма. У большинства организмов эти реакции осуществляются в пределах от 0° до +50 °С. При более низких или более высоких температурах метаболизм прекращается из-за нарушения работы ферментов.

Температурный фактор оказывает влияние на любые процессы, протекающие в организме. С чем это связано, понять нетрудно. При температуре выше абсолютного нуля, то есть выше -273,15 градуса, молекулы любых веществ находятся в беспрерывном движении. Кинетическая активность, или частота соударений молекул, в результате которых происходит их разрушение или образование новых, пропорциональны абсолютной температуре. При повышении или понижении температуры на 10 градусов кинетическая активность соответственно изменяется на 3 процента, а интенсивность обмена веществ в два раза. Не удивительно, что температурный фактор определяет жизненную активность животных. Это в равной мере касается и физиологических процессов и всех форм поведения: от переваривания пищи до двигательной активности.

Еще сравнительно недавно животных принято было делить на теплокровных, то есть умеющих поддерживать температуру тела на постоянном уровне, и холоднокровных, чья температура пассивно следует за температурой окружающей среды.

К теплокровным относятся птицы и млекопитающие, хотя некоторые из них умеют снижать свою температуру до очень низкого уровня и могут много дней находиться в таком "охлажденном" состоянии, а к холоднокровным всех остальных, хотя они способны подолгу поддерживать температуру тела значительно выше температуры окружающей среды.

Холоднокровным животным, чтобы сохранять высокую активность, необходимо поддерживать температуру тела на оптимальном уровне. Для обитателей тропических лесов он достаточно высок: 25-35 градусов. Даже теплый климат экваториальных лесов не гарантирует его обитателям возможности в нужный момент иметь необходимую температуру. Оптимум для жителей северных и горных лесов может лежать в диапазоне 20-25 градусов или быть ниже. Но здесь погодные условия дают еще меньше возможностей его достигнуть.

Значительно сложнее теплокровным, так как диапазон температур, при которых они могут не только сохранять активность, но и саму жизнь, чрезвычайно узок. У утконоса и ехидны подъем жизненных сил происходит при температуре тела в районе 30, у сумчатых – 35, у остальных млекопитающих 38, а птицам для этого требуется около 40-42 градусов.

Все без исключения организмы вырабатывают собственное тепло, но его доля в тепловом балансе у теплокровных и холоднокровных животных различна. Дело в том, что любая клетка в процессе обычной жизнедеятельности вырабатывает тепло, и ее температура хотя бы в ничтожной степени превышает температуру окружающей среды. Холоднокровным животным собственного тепла не хватает, и они вынуждены заимствовать его у внешних источников, а теплокровные умеют вырабатывать больше тепла, чем теряют его в самые сильные холода. Для сохранения постоянной температуры тела необходимы мощные "печи" и надежная термоизоляция. Теплокровные бережно, по-хозяйски относятся к производимому теплу и зря его не растрачивают.

Вопрос 1. Какова роль температуры в жизни организмов?

Ответ. Главным источником тепла на Земле является солнечное излучение, поэтому свет и тепло выступают сопряжено. Тепло один из наиболее важных факторов, определяющих существование развитие и распространение организмов по Земному шару. При этом важно не только количество тепла, но и распределение его в течение суток, вегетационного сезона, года. Приход тепла к разным участкам планеты, естественно, неодинаков, с удалением от экватора не только снижается поступление его, но и увеличивается амплитуда сезонных и суточных колебаний.

Температурные пределы, в которых может протекать жизнь, составляет всего 300°, от -200°С до +100°С, но для большинства организмов и физиологических процессов этот диапазон еще уже – от 39° в море (-3,3 – +35,6°С) до 125° на суше (-70 – +55°С). Нормальное строение и работа белка осуществляются при 0-+50°С.

Значение температуры заключается в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических реакций в клетках, а это отражается на росте, развитии, размножении, поведении и во многом определяет географическое распространение растений и животных. Согласно правилу Вант-Гоффа скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза каждый раз при повышении температуры на 10°С, а по достижении оптимальной – начинает снижаться. Верхний (верхний биологический нуль) и нижний пределы называются, соответственно, верхней и нижней летальной температурой. При выходе изменений температуры за пределы выносливости организмов происходит их массовая гибель, т.к. происходит свертывание белка и разрушение ферментов. Так, с переходом через 50-60°С, как правило, створаживается простокваша, сваривается белок яйца, погибает камбий у растений.

Вопрос 2. Опишите действие высоких и низких температур на организмы. Каков температурный диапазон активной жизни на Земле? Чем обусловлены его пределы?

Ответ. Чрезмерное повышение температуры окружающей среды вызывает гибель организмов вследствие тепловой денатурации белковых молекул, нарушения деятельности жизненно важных ферментов, резкого усиления процессов гидролиза органических веществ, их окисления и др. С другой стороны, заметное снижение температуры ниже О °С может вызвать гибель клеток и всего организма вследствие образования из молекул воды кристаллов льда и разрушения клеточных мембран.

Среди организмов, способных существовать при очень высоких температурах, следует назвать, прежде всего, бактерии и некоторые термофильные водоросли, например из рода Осциллатория, которые могут жить в горячих источниках с температурой +85...+87 °С. Успешно переносят высокие температуры (+65...+80 °С) накипные лишайники, семена и вегетативные органы пустынных растений (саксаул, верблюжья колючка, тюльпан), находящиеся в верхнем слое раскалённой почвы. Существует немало видов животных и растений, выдерживающих минусовые температуры. Полярные воды с температурой от 0 до -2 °С населены разнообразными микроскопическими водорослями, червями, моллюсками, рачками, рыбами, ластоногими млекопитающими, жизненный цикл которых происходит в таких температурных условиях.

Значительно большие приспособительные возможности существуют у организмов по отношению к периодически повторяющимся сезонным изменениям – более низким температурам зимнего времени года. Многие растения и животные при соответствующей подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза (от греч. anabiosis – оживление, возвращение к жизни) предельно низкие температуры на нашей планете до -70 °С (Якутия, Антарктида). В лабораторных экспериментах пыльца, споры растений, черви – коловратки, цисты простейших, сперматозоиды после обезвоживания или помещения в растворы специальных защитных веществ – криопротекторов – выдерживают температуры, близкие к абсолютному нулю (-273,16 °С).

Вопрос 3. Что такое пойкилотермия и гомойотермия? Как пойкилотермные и гомойотермные организмы приспособлены к колебаниям температуры? Приведите примеры.

Ответ. Жизнедеятельность многих организмов, их активность зависят главным образом от тепла, поступающего в организм извне, а температура тела – от значений температуры окружающей среды и энергетического баланса (соотношения поглощённого и отданного телом тепла). Такие организмы называют пойкилотермными (от греч. poikilos – различный, переменчивый и terme – тепло). Пойкилотермия, или холоднокровность, свойственна микроорганизмам, растениям, беспозвоночным животным, рыбам, земноводным и пресмыкающимся.

У представителей высших позвоночных животных – птиц и млекопитающих – тепло, вырабатываемое как продукт биохимических реакций, служит существенным источником повышения температуры тела и поддержания её на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Такие организмы называют гомойотермными (от греч. homoios – одинаковый и terme – тепло). Гомойотермия, или теплокровность, даёт возможность организмам вести активную жизнь и даже размножаться при температуре ниже нуля (северный олень, белый медведь, ластоногие, пингвины). Поддержание и сохранение высокой температуры тела у теплокровных организмов осуществляется благодаря активному обмену веществ, обеспечивающему высокий уровень теплопродукции, и хорошей тепловой изоляции, создаваемой густым волосяным покровом, плотным оперением или толстым слоем подкожного жира, препятствующим теплоотдаче

Вопрос 4. Какие организмы называют эвритермными и стенотермными? На какие группы разделяют стенотермные организмы? Приведите примеры таких организмов.

Ответ. Для каждого организма характерна своя оптимальная для жизнедеятельности температура окружающей среды и свои пределы выносливости её колебаний. Выше зоны оптимальной температуры находится зона временного теплового оцепенения организма, а за ней – зона продолжительной бездеятельности или летней спячки, граничащая с зоной смертельно высокой температуры. Ниже зоны оптимальной температуры находятся зоны холодового оцепенения, зимней бездеятельности или спячки, и смертельно низкой температуры.

Эвритермные организмы (волк, сокол-сапсан, сосна, лиственница, плесневые грибы, большинство бактерий) способны переносить колебания температуры в широких пределах. Стенотермные организмы живут в условиях довольно узких пределов перепада температуры и, в свою очередь, подразделяются на теплолюбивые (львы, туканы, крокодилы, кораллы, медузы, орхидеи, чайный куст, кофе) и холодолюбивые (белый медведь, кедровый стланик, лишайник ягель) организмы.

Вопрос 5. В чём проявляются приспособления растений умеренного и холодного пояса к действию низких температур в зимнее время года? Приведите примеры.

Ответ. В условиях умеренного и холодного пояса температурные приспособления растений проявляются в зимостойкости, морозоустойчивости и состоянии покоя. Зимостойкостью называют устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов зимнего периода – чередованию морозов и оттепелей, образованию ледяной корки, вымоканию и др. Зимостойкие растения осенью сбрасывают листья, а их почки защищены почечными чешуями. Морозоустойчивость проявляется на уровне клеток и тканей растений в их способности переносить действие отрицательных температур. Например, у яблони, озимых злаков и подснежников, благодаря накоплению в клетках углеводов, образование льда из свободной воды происходит при более низкой температуре, чем у неморозоустойчивых растений.

Состояние покоя характеризуется прекращением роста и снижением процессов жизнедеятельности растения. Однолетние растения проходят это состояние на стадии семени. У многолетних растений в клетках образуются особые вещества – ингибиторы, которые в период покоя препятствуют росту растения даже при искусственно созданных благоприятных температурных условиях или во время случайных осенних и зимних потеплений. Это имеет приспособительное значение.

Вопрос 6. Каковы приспособления животных к действию высоких и низких температур? Приведите примеры. Какое значение это имеет для организмов?

Ответ. Температурные приспособления животных разнообразны. Химическая терморегуляция изменяет уровень теплопродукции в организме. Например, дятел зимой переходит на питание семенами ели, содержащими масла, богатыми энергией. Физическая терморегуляция обеспечивает изменение уровня теплоотдачи организма. Так, гренландский тюлень имеет теплозащитный покров в виде толстого слоя жира и плотного меха, а африканский слон – большие ушные раковины с густой сетью капилляров, что способствует теплоотдаче. Поведенческая терморегуляция проявляется в способности организмов выходить из действия неблагоприятного температурного фактора. Например, ящерица агама, спасаясь от нагретого песка, залезает на ветви пустынных кустарников и деревьев.

Вопрос 7. Один из исследователей с несколькими друзьями и собакой без вреда для здоровья провели 45 мин в сухой камере при температуре +126°С, в то время как кусок мяса, взятый в камеру, оказался сваренным. Объясните результаты эксперимента.

Ответ. Млекопитающие с помощью механизмов терморегуляции – теплоизлучения и испарения пота с поверхности тела – способны поддерживать постоянную температуру тела. Эффективным механизмом регуляции теплообмена служит испарение воды путем потоотделения или через влажные слизистые оболочки полости рта и верхних дыхательных путей. Способность к образованию пота у разных видов различна. Человек при сильной жаре может выделить до 12 л пота в день, рассеивая тепло в десятикратном количестве по сравнению с нормой. Выделяемая вода, естественно, должна возмещаться через питье. У некоторых животных испарение идет только через слизистые оболочки рта. У собаки, для которой одышку – основной способ испарительной терморегуляции, частота дыхания при этом доходит до 300–400 вдохов в минуту.