Диапазон температур в природе, влияние температуры на

Диапазон температур в природе, влияние температуры на живые организмы
21.02.2003 астрономы опубликовали первую фотографию газового облака,
которое считается самым холодным местом во Вселенной. Туманность
Бумеранг, находящаяся в 5 тысячах световых лет от Земли, была обнаружена в
1979 году шведскими и американскими астрономами с помощью крупного
телескопа, установленного в Чили. Название "Бумеранг" она получила в 1980
году - в телескопах, находящихся на Земле, туманность выглядела как
изогнутое облако удлиненной формы. Астрономы также называют эту
туманность, которую можно наблюдать только из Южного полушария, "холодильник Вселенной".
Температура туманности Бумеранг - минус 272°C, это всего на один градус выше температуры абсолютного
нуля - минус 273,15° и ни- же, чем температура реликтового излучения. Хотя в земных лабораториях
удавалось получить и более низкие температуры, в природе большего холода не найдено.
Согласно спектральной классификации Моргана-Кинана, звезды делятся на следующие классы по
светимости, размеру и температуре:
О - голубые гиганты - 30000-60000 гр. Кельвина (Вега, созв. Лира)
В - бело-голубые гиганты 10000-30000 гр. Кельвина (Сириус, созв. Б. Пес)
А - белые гиганты 7500-10000 гр. Кельвина (Альтаир, созв. Орел)
F - желто-белые звезды 6000-7500 гр. Кельвина (Капелла, созв. Возничий)
G - желтые карлики 5000-6000 гр. Кельвина (Солнце)
К - оранжевые звезды 3500-5000 гр. Кельвина (Поллукс, созв. Близнецы)
М - красные гиганты 2000-3500 гр. Кельвина (Антарес, созв. Скорпион)
(Для запоминания: «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь»)


Самая высокая температура созданная человеком ~ 510 млн. К, (что в 30 раз превышает температуру
солнечного ядра), была достигнута 27 мая 1994 года в испытательном ядерном реакторе токамак в
Test Fusion Tokamak Reactor(англ.) в Принстоне, Нью-Джерси, США.[3][4]
Самая низкая температура созданная человеком ниже 5,9*10−12К, т.е. выше абсолютного нуля менее
чем на 1/170млрд. долю градуса. Эта температура в 1995 году была получена Эриком Корнеллом и
Карлом Виманом из США при охлаждениии атомов рубидия.
Теплота – основа кинетики химических реакций, из которых складывается жизнедеятельность организма.
Поэтому температурные условия оказываются одним из важнейших экологических факторов, влияющих на
интенсивность обменных процессов.
Температура относится к числу важнейших климатических факторов. От нее зависит уровень и
интенсивность обмена веществ, фотосинтеза и других биохимических и физиологических процессов.
... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность
состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была
разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется
энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании
температурных явлений, которым мы должны пользоваться ...(П. Л. Капица)
Жизнь на земле существует в широком диапазоне температур. Наиболее приемлемый для жизни
диапазон температур от 00 до 500 С. Для большинства организмов – это летальные температуры.
Исключения: многие северные животные, где наблюдается смена сезонов, способны переносить зимние
минусовые температуры. Растения способны переносить минусовые зимние температуры, когда замирает
их активная деятельность. Некоторые семена, споры и пыльца растений, нематоды, коловратки, цисты
простейших выносили в экспериментальных условиях температуру – 1900 С и даже – 2730 С. Но все-таки
большинство живых существ способно жить при температуре между 0 и 500С. Это определяется свойствами
белков и активностью ферментов. Одним из приспособлений переносить неблагоприятные температуры
является анабиоз – приостановка жизненных процессов организма.
Наоборот, в жарких странах нормой жизни являются достаточно высокие температуры. Известен ряд
микроорганизмов, способных жить в источниках с температурой выше 700С. Споры некоторых бактерий
способны выдерживать кратковременное нагревание и до 160–1800С.
До недавнего времени полагали, что температурный диапазон, в котором способны существовать
животные, достаточно ограничен: от прибл. 0 до 40оС (или 273 - 313 К). Открытие крупных "трубчатых"
червей, обитающих вблизи от глубоководных фумарол при температуре около 100 ºС, поставило знак
вопроса у верхней границы диапазона обитания. Тем не менее, непреодолимые факты химической природы,
кажется, противоречат возможности серьезного отклонения от диапазона 0 – 40 ºС. При температуре ниже 0
ºС водная среда, которая составляет более 90% массы любого живого организма, претерпевает агрегатные
изменения, что в лучшем случае замедляет метаболические процессы (если развились какие-то формы
органического антифриза) или приводит к замораживанию - в худшем (обычно). При температуре выше 40
ºС тепловое движение может нарушать гидрофобные и другие слабые химические связи, которые
удерживают структуру белков. Нарушение этой хрупкой структуры приводит к утрате их биологических, в
особенности ферментативных, функций. Кроме того, к температуре очень чувствительны и биологические
мембраны. Каждый начинающий студент-биолог знает, что денатурация белка происходит при температуре
около 40ºС; каждый начинающий микробиолог знает, что кипячение ведет к стерилизации.
Большинство видов приспособлено к довольно узкому диапазону температур. Некоторые организмы,
особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры
микроорганизмов выдерживают охлаждение до -200˚С. Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить
и размножаться в горячих источниках при температуре +80 - +88˚С. Диапазон колебаний температуры в
воде значительно меньше, чем на суше, соответственно и пределы выносливости к колебаниям температуры
у водных организмов уже, чем у наземных. Однако и для водных и для наземных обитателей оптимальной
является температура в пределах 15 – 30˚С.
Так, феноменальной приспособленностью отличаются личинки золотарниковой
пестрокрылки Eurosta solidaginis, зимующие в галлах на стеблях
золотарника. Располагаются они выше снежного покрова, а зимняя
температура в местах их обитания –40° или даже –50°С. Насекомые
в
это время находятся в состоянии диапаузы, когда уровень обмена
веществ, в том числе энергетический, резко снижен. До наступления
холодов в теле личинок интенсивно синтезируется глицерин и сорбит,
комбинированное действие которых и позволяет им перезимовать.
Не менее впечатляют термофильные бактерии, живущие при +113°С. Такая термоустойчивость
характерна для архебактерии Pyrolobus funarii. Сверхстабильная структура белков гипертермофильных
бактерий (Thermotoga maritima и Pyrodictium occultum) обеспечивается аминокислотными заменами, в
результате которых возникают новые внутримолекулярные взаимодействия (водородные связи,
гидрофобные и ионные взаимодействия, солевые мостики). Таким образом, сверхстабильность белков
определяется их первичной структурой, которая сформировалась на протяжении длительной адаптации к
предельно высоким температурам. В качестве примера эффективности подобных механизмов можно
привести фермент из гипертермофильных бактерий - амилопуллюланазу, которая сохраняет активность при
+132°С .
Но в жизни животных гораздо большее значение имеют физиологические адаптации, простейшей из
которых является акклиматизация — физиологическое приспособление к перенесению жары или холода.
Например, борьба с перегревом путем увеличения испарения, борьба с охлаждением у некоторых животных
путем частичного обезвоживания своего тела или накопления специальных веществ, понижающих точку
замерзания, у иных — за счет изменения обмена веществ.
Существуют и более радикальные формы защиты от холода — миграция в более теплые края (перелеты
птиц; высокогорные серны на зиму переходят на более низкие высоты, и др.), зимовка — впадение в спячку
на зимний период (сурок, белка, бурый медведь, летучие мыши: они способны понижать температуру
своего тела почти до нуля, замедляя метаболизм и, тем самым, трату питательных веществ).
Большинство животных зимой находится в неактивном состоянии, а насекомые—вообще в
неподвижном, остановившись в своем развитии. Это явление называют диапаузой, и она может наступать
на разных стадиях развития насекомых — яйца, личинки, куколки и даже на стадии взрослой особи
(бабочки, например).
Но многие организмы умеренных широт в этот период ведут активный образ жизни (волки, олени,
зайцы и др.), а некоторые даже размножаются (королевские пингвины и др.).
Таким образом, температура, являясь важнейшим лимитирующим фактором, оказывает весьма
существенное влияние на адаптационные процессы в организмах и популяциях наземно-воздушной среды.