Наука

Температура – одно из фундаментальных понятий в физике, она играет огромную роль в том, что касается земной жизни любых форм . При очень высоких или очень низких температурах различные вещи могут вести себя очень странно. Предлагаем вам узнать о ряде интересных фактов, связанных с температурами.

Какая температура самая высокая?

Самая высокая температура, которую создал человек, составила 4 миллиарда градусов Цельсия. Трудно поверить, что температура вещества может достичь такого невероятного уровня! Эта температура в 250 раз выше температуры ядра Солнца.

Невероятный рекорд был поставлен в Естественной Лаборатории Брукхэвена в Нью-Йорке в ионном коллайдере RHIC , длина которого - около 4 километров.

© -Dant- / Getty Images Pro

Ученые заставили столкнуться ионы золота, пытаясь воспроизвести условия Большого взрыва, создав кварк-глюонную плазму. В таком состоянии частицы, которые составляют ядра атомов – протоны и нейтроны, разбиваются, в результате чего получается "суп" из конституэнтных кварков.

Экстремальная температура в Солнечной системе

Температура среды в Солнечной системе отличается от той, к которой мы привыкли на Земле. Наша звезда Солнце невероятно горячая. В ее центре температура составляет около 15 миллионов Кельвинов , а поверхность Солнца имеет температуру всего около 5700 Кельвинов.

© Pixabay / Pexels

Температура в ядре нашей планеты составляет примерно столько же, сколько температура поверхности Солнца. Самая горячая планета Солнечной системы – Юпитер, температура ядра которого в 5 раз выше , чем температура поверхности Солнца.

Самая холодная температура в нашей системе зафиксирована на Луне: в некоторых кратерах в тени температура составляет всего 30 Кельвинов выше абсолютного нуля. Эта температура ниже, чем температура Плутона!

Температура среды обитания человека

Некоторые народы живут в весьма экстремальных условиях и необычных местах, не совсем удобных для жизни. Например, одни их самых холодных населенных пунктов – поселок Оймякон и город Верхноянск в Якутии , Россия. Температура зимой тут в среднем составляет минус 45 градусов Цельсия.

© vili45

Самый холодный более крупный город тоже находится в Сибири – Якутск с населением около 270 тысяч человек . Температура зимой там составляется также около минус 45 градусов, а вот летом может подниматься до 30 градусов !

Самая высокая среднегодовая температура была замечена в оставленном городе Даллол , Эфиопия. В 1960-х годах тут зафиксировали средний показатель температуры - 34 градуса Цельсия выше нуля. Среди крупных городов самым жарким считается город , столица Таиланда, где средняя температура составляет в марте-мае также около 34 градусов.

© tawanlubfah / Getty Images Pro

Самая экстремально высокая температура, где работают люди, замечена в золотых шахтах Mponeng в Южной Африке. Температура на уровне около 3 километров под землей составляет плюс 65 градусов Цельсия . Предпринимаются меры для охлаждения шахт, например, используют лед или изолирующие покрытия для стен, чтобы шахтеры могли работать без перегревания.

Какая температура самая низкая?

В попытках получить самую низкую температуру , ученые столкнулись с рядом важных для науки вещей. Человеку удалось получить самые холодные вещи во Вселенной, которые намного холоднее, чем любая вещь, созданная природой и космосом.

© Elaplan / Getty Images Pro

Замораживание допускает понижение температуры до нескольких милиКельвинов. Самая низкая температура, которую удалось достичь в искусственных условиях - 100 пикоКельвинов или 0.0000000001 K . Чтобы добиться такой температуры, необходимо воспользоваться магнитным охлаждением. Также подобных низких температур можно добиться, используя лазеры.

При таких температурах материал ведет себя вовсе не так, как при обычных условиях.

Какая температура в космосе?

Если вы, к примеру, возьмете в открытый космос термометр и оставите его там на некоторое время в месте, далеком от источника радиации, вы можете заметить, что он показывает температуру 2,73 Кельвина или около минус 270 градусов Цельсия . Это самая низкая естественная температура во Вселенной.

© kevron2001 / Getty Images Pro

В космосе температура держится выше абсолютного нуля за счет радиации, которая осталась после Большого взрыва. Хотя космос очень холодный по нашим меркам, интересно отметить, что одной из важнейших проблем, с которыми сталкиваются космонавты в космосе, является жара .

Голый металл, из которого сделаны объекты, находящиеся на орбите, может нагреваться до 260 градусов Цельсия из-за свободных солнечных лучей. Чтобы понизить температуру кораблей, их нужно обертывать в специальный материал, который может понизить температуру только в 2 раза.

© Ablestock.com / Photo Images

Температура открытого космоса тем не менее постоянно падает . Теории об этом появились уже давно, однако только недавние измерения подтвердили, что Вселенная охлаждается примерно на 1 градус каждые 3 миллиарда лет.

Температура космоса будет приближаться к абсолютному нулю, однако никогда его не достигнет. Температура на Земле не зависит от той температуры, которая сегодня имеется в космосе, и мы знаем, что наша планета последнее время постепенно нагревается.

Что такое теплород?

Тепло – механическое свойство материала. Чем горячее объект, тем больше энергии имеют его частицы во время движения. Атомы веществ в горячем твердом состоянии вибрируют быстрее, чем атомы тех же, но охлажденных веществ.

Будет ли вещество оставаться в жидком или газообразном состоянии зависит от того, до какой температуры его нагреть . Сегодня об этом знает любой школьник, однако до 19-го столетия ученые полагали, что тепло само по себе является субстанцией – невесомым флюидом , названным теплород .

© m.kucova

Ученые считали, что этот флюид испарялся из теплого материала, таким образом, охлаждая его. Он может перетекать из горячих объектов в холодные . Многие прогнозы, основанные на этой теории, на самом деле верны. Несмотря на заблуждения по поводу тепла, были сделаны многие действительно правильные выводы и научные открытия . Теория теплорода была окончательно побеждена в конце 19-го века.

Существует ли самая высокая температура?

Абсолютный нуль – температура, ниже которой невозможно опуститься. А какая температура самая высокая из возможных? Наука пока точно ответить на этот вопрос не может.

Самой высокой температурой называют Планковскую температуру . Именно эта температура была во Вселенной в момент Большого взрыва , согласно представлениям современной науки. Эта температура равна 10^32 Кельвинов.

© sakkmesterke / Getty Images Pro

Для сравнения: если вы можете представить, эта температура в миллиарды раз больше самой высокой температуры , полученной искусственно человеком, о которой упоминалось ранее.

Согласно стандартной модели, Планковская температура пока остается самой высокой температурой из возможных . Если существует что-то еще более горячее, то привычные нам законы физики перестанут работать.

© Santa_Papa / Getty Images Pro

Есть предположения, что температура может подняться еще выше этого уровня , но что произойдет в таком случае, наука объяснить не может. В нашей модели реальности что-либо более горячее существовать не сможет. Может быть, реальность станет другой?

Тепловой режим - важнейшее условие существования живых организмов, так как все физиологические процессы в них возможны при определенных условиях. Главным источником тепла является солнечное излучение.

Солнечная радиация превращается в экзогенный, находящийся вне организма, источник тепла во всех случаях, когда она падает на организм и им поглощается. Сила и характер воздействия солнечного излучения зависят от географического положения и являются важными факторами, определяющими климат региона. Климат же определяет наличие и обилие видов растений и животных в данной местности. Диапазон существующих во Вселенной температур равен тысячам градусов (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Состав атмосферы и температура на планетах

По сравнению с ними пределы, в которых может существовать жизнь, очень узки - около 300°С, от -200°С до +100°С. На самом деле большинство видов и большая часть активности приурочены к более узкому диапазону температур (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Температурный диапазон активной жизни на Земле, °С

Как правило, эти температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков: от 0 до +50°С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за названные выше пределы.

Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными, так и суточными колебаниями. В ряде районов Земли это действие фактора имеет важное сигнальное значение в регуляции сроков активности организмов, обеспечении их суточного и сезонного режимов жизни.

При характеристике температурного фактора очень важно учитывать его крайние показатели, продолжительность их действия, повторяемость. Выходящие за пределы терпимости организмов изменения температуры в местах обитания приводят к массовой их гибели. Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических процессов в клетках, отражающихся на всей жизнедеятельности организмов. Температура влияет на анатомо-морфологические особенности организмов, ход физиологических процессов, их рост, развитие, поведение и во многих случаях определяет географическое распространение растений и животных.

Как к экологическому фактору, по отношению к температуре все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые и теплолюбивые. Холодолюбивые организмы, или криофилы, способны жить в условиях сравнительно низких температур и не выносят высоких. Криофилы могут сохранять активность при температуре клеток до -8 и -10 °С, когда жидкости их тела находятся в переохлажденном виде. Характерно для представителей разных групп, например бактерий, грибов, моллюсков, членистоногих, червей и др. Криофилы населяют холодные и умеренные зоны. Холодостойкость растений весьма различна и зависит от условий, в которых они обитают.

Так, древесные и кустарниковые породы Якутии не вымерзают при -70°С, в Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, отдельные виды водорослей, ногохвостки, пингвины. В лабораторных экспериментах семена, споры и пыльца растений, коловратки, нематоды, цисты простейших после обезвоживания переносят температуры, близкие к абсолютному нулю, т.е. до -271,16 °С, возвращаясь после этого к активной жизни. Приостановка всех жизненных процессов организма называется анабиозом. Из анабиоза живые организмы возвращаются к нормальной жизни при условии, если не была нарушена структура макромолекул в их клетках.

У теплолюбивых, или термофилов, жизнедеятельность приурочена к условиям довольно высоких температур (табл. 4.5).

Это преимущественно обитатели жарких, тропических районов Земли. Среди многочисленных беспозвоночных (насекомые, паукообразные, моллюски, черви), холодно- и теплокровных позвоночных имеется много видов и целый отряд, обитающие исключительно в тропиках. Настоящими термофилами являются растения жарких тропических районов. Они не переносят низких температур и нередко гибнут уже при 0 °С, хотя физического замораживания их тканей и не происходит. Причинами гибели здесь обычно называют нарушение обмена веществ, подавление физиологических процессов, что приводит к образованию в растениях не свойственных им продуктов, в том числе и вредных, вызывающих отравление.

Таблица 4.5

Примеры видов, обладающих различной

устойчивостью к температуре

Многие организмы обладают способностью переносить очень высокие температуры. Например, некоторые виды жуков и бабочек, пресмыкающие выдерживают температуру до 45-50 °С. В горячих источниках Калифорнии при температуре 52 °С обитает рыбка пятнистой ципринодон, в водах горячих ключей на Камчатке постоянно живут сине-зеленые водоросли при температуре 75-80 °С, верблюжья колючка переносит нагревание воздуха до 70 °С. Таким образом, общие закономерности воздействия температуры на живые организмы проявляются в их способности существовать в определенном диапазоне температуры. Этот диапазон ограничен нижней летальной (смертельной) и верхней летальной температурой.

Температура, наиболее благоприятная для жизнедеятельности и роста, называется оптимальной (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Оптимальные температуры для выращивания растений

Температурный оптимум большинства живых организмов находится в пределах 20-25 С, и лишь у обитателей жарких, сухих районов температурный оптимум жизнедеятельности находится несколько выше 25-28°С. Например, некоторые прямокрылые (кузнечики) проявляют полуденную активность в условиях пустыней Палестины при температуре 40°С и выше.

Для организмов умеренных и холодных зон России оптимальные температуры от 10 до 20°С. Так, у ветреницы дубравной процесс фотосинтеза наиболее интенсивно протекает при 10°С.

В зависимости от ширины интервала температуры, в которой данный вид может существовать, организмы делятся на эвритермные и стенотермные. Эвритермные организмы выдерживают широкие колебания температуры, стенотермные живут лишь в узких пределах.

К эвритермным относится большинство организмов районов с континентальным климатом. Многие из них имеют покоящие стадии, переносящие особенно широкий диапазон температуры (покоящиеся яйца, цисты, куколки насекомых, находящиеся в состоянии анабиоза, взрослые животные, споры бактерий, семена растений).

Беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии лишены способности поддерживать температуру тела в узких границах. Их называют пойкилотермными (от греч. poikilos - разный). Данных животных часто называют также эктотермными, так как они больше зависят от тепла, поступающего извне, чем от того тепла, которое образуется в обменных процессах. Характерна низкая интенсивность обмена и отсутствие механизма сохранения тепла. Раньше этих животных обычно называли холодокровными, но этот термин неточен и может вводить в заблуждение.

Птицы и млекопитающие способны поддерживать достаточно постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры. Этих животных называют гомойотермными (от греч. homoios - подобный) или, по старой терминологии, что менее правильно, теплокровными. Гомойотермные животные относительно мало зависят от внешних источников тепла. Благодаря высокой интенсивности обмена у них вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохраняться. Поскольку эти животные существуют за счет внутренних источников тепла, их называют в настоящее время чаще эндотермными.

Растения и животные в ходе длительного эволюционного развития, приспосабливаясь к периодическим изменениям температурных условий, выработали в себе различную потребность к теплу в разные периоды жизни. Например, прорастание семян растений происходит при более низких температурах, чем последующий их рост. Семена пшеницы, овса, ячменя прорастают при 1-2°С, всходы же появляются при 4-5^0. В период цветения растениям, как правило, необходимо больше тепла, чем в период созревания семян, плодов. Томаты лучше растут и развиваются, когда температура днем 25-26 °С, ночью 17-18°С. Температурный оптимум живых организмов зависит и от других экологических факторов. Установлено, что при полном освещении и избытке углекислого газа в воздухе оптимальная температура фотосинтеза 30 °С, а при слабом освещении и недостатке углекислого газа она снижается до 10°С (рис. 4.8).

При характеристике температуры необходимо различать температуру воздуха и температуру почвы, разность между ними. Для растений это особенно важно, так как они способны поглощать питательные вещества из почвы при условии, если температура почвы будет на несколько градусов ниже температуры воздуха. Например, гречиха достигает наилучшего развития, когда температура близ корней равнг. 10°С, а у надземных частей 22°С. При температуре почвы и воздуха 22°С состояние растений резко ухудшается, и они не дают цветков. При дальнейшем повышении температуры почвы до 34°С, когда надземные органы остаются при 22°С, у растений наблюдается отмирание верхушек почек, стеблей, а впоследствии погибает все растение.

Рис. 4.8. Соотношение между фотосинтезом и дыханием

в зависимости от температур

При оптимальных температурах у всех организмов физиологические процессы протекают наиболее интенсивно, что способствует увеличению темпов их роста. Здесь к биологическим процессам вполне приемлемо правило Вант-Гоффа (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1998).

Так, если скорость Vт реакции измерена при двух температурах Т1 и Т2, причем Т1 < Т2, то температурный коэффициент Вант-Гоффа:

Зависимость скорости реакции от температуры может быть выражена уравнением Аррениуса:

где АV - фактор частоты событий, называемый также константой Аррениуса;

Е* - энергия активации данной реакции (Дж/моль), необходимая для преодоления потенциального барьера реакции;

R - газовая постоянная ;

Т - абсолютная температура, К.

В диапазоне температур 15 - 40 °С (288-313 К) значения Q,g большинства биохимических процессов лежат между 1,5 и 2,5, а значения Е* - между 30 и 65 кДж/моль.

Исходя из этого правила скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза при повышении температуры на каждые 10°С. При температурах выше или ниже оптимальных скорость биохимических реакций в организме снижается или вообще нарушается. И как итог - замедление темпов роста и даже гибель организма.

В пределах от верхних оптимальных до верхних максимальных и от нижних минимальных до нижних оптимальных температур лежат диапазоны верхнего и нижнего пессимумов. Развитие растений при температурном пессимуме осуществляется замедленными темпами и затягивается на длительное время.

Активность животных также ограничивается пессимумами. У насекомых повышение температуры вызывает вначале медленные, некоординированные движения, в физиологической области (оптимум) приводит к полностью управляемой активности, а при дальнейшем повышении - к чрезмерно быстрым, некоординированным, суматошным движениям. Так, муха цеце при температуре ниже 8°С неподвижна, при 10°С начинает бегать, выше 14°С при дополнительном раздражении взлетает, а выше 21°С летает сонливо.

Температурный оптимум разных видов и стадий развития у насекомых также неодинаков. Например, оптимальная температура развития яиц озимой совки (Agrotis segetum) 25°C, гусениц 22 °С, а куколок 19°С.

Крайне минимальные и максимальные температуры нижнего и верхнего пессимумов называются соответственно нижним и верхним порогом развития, или нижним и верхним биологическим нулем, за пределами которого развитие организма не происходит.

Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Для растений и эктотермных животных количество тепла, необходимого для развития, определяется суммой эффективных температур или суммой тепла. Зная нижний порог развития, легко определить эффективную температуру - по разности наблюдаемой и пороговой температур. Так, если нижний порог развития организма равен 10°С, а реальная в данный момент температура воздуха 25°C, то эффективная температура будет 15°С (25°-10°). Сумма эффективных температур определяется по формуле:

C = (t –t1)×n, (4.3)

где С - сумма эффективных температур;

t - температура окружающей среды (реальная, наблюдаемая);

t1 - температура порога развития;

n - продолжительность (длительность) развития в днях, часах.

Сумма эффективных температур для каждого вида растений и эктотермных животных, как правило, величина постоянная, при том, что если другие условия среды находятся в оптимуме, отсутствуют осложняющие факторы. При отклонении этих условий или при сравнении особей из разных частей ареала результаты могут быть искажены. Например, в Северо-Западном регионе России цветение мать-и-мачехи начинается при сумме эффективных температур равной 77, кислицы - 453, земляники - 500, желтой акации - 700°С. Ограничивающим фактором географического расположения видов нередко является сумма эффективных температур, которую нужно набрать для завершения жизненного цикла. Так, северная граница древесной растительности в целом совпадает с июльскими изотермами 10, 12°С. Севернее уже не хватает тепла для развития деревьев, и зона лесов сменяется безлесными тундрами.

Развитие эндотермных животных в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды. И тем не менее и им свойствен определенный температурный оптимум и пессимум тех или иных физиологических процессов.

У крупного рогатого скота повышение температуры в помещениях при их содержании до 15 °С или понижение до 7 °С приводит к снижению плодовитости.

Живые организмы в процессе эволюции выработали различные формы адаптации к температуре, среди них морфологические, биохимические, физиологические, поведенческие и т. д. Растения не имеют собственной температуры тела и по отношению к тепловому фактору обладают определенной спецификой. Одно из важнейших приспособлений к температуре у растений - форма их роста. Там, где тепла мало - в Арктике, в высокогорье, много подушковидных растений, растений с прикорневыми розетками листьев, стелющихся форм. Так, у стланцевых форм карликовой березы, ели, можжевельника и кедровника верхние ветви, поднимающиеся высоко над землей, большей частью полумертвые или мертвые, а стелющиеся - живые, так как зимуют под снегом и не подвергаются отрицательному воздействию низких температур. Все это позволяет растениям улавливать максимум тепла солнечных лучей, а также использовать тепло нагретой поверхности почвы (рис.4.9).

(из Д. П. Шенникова,1950)

Температурный фактор на развитие приземистых форм растений может действовать как непосредственно, так и косвенно, вызывая нарушения водоснабжения и минерального питания.

Наиболее значительна роль прямого влияния температур в процесса геофилизации растений (рис. 4.10).

Геофилизация - это погружение базальной (нижней) части растения в почву - сначала гипокотиля, затем эпикотиля, первого междоузлия и т. д. Это характерно преимущественно покрытосеменным растениям. Геофилизация в ходе их исторического развития играла значительную роль в трансформации жизненных форм от деревьев до трав.

Рис. 4.10. Геофилизация (втягивание в почву) подсемядольного

колена клевера лугового (Trifolium pratense), по П. Лисицину:

а - поверхность почвы; б - глубина втягивания

Сильные холода и чрезвычайная жара нередко ограничены во времени, и растения избегают их воздействия, сбрасывая чувствительные части, или редуцируют свое вегетативное тело до подземных многолетних органов. При наступлении благоприятных условий они вновь образуют надземные органы. Здесь важно знать и устойчивость к температуре различных органов с учетом их функций. Особенно чувствительны к низким температурам (холоду) репродуктивные органы - зачатки цветков в зимующих почках и завязи в цветках (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Холодостойкость отдельных органов

и тканей разных растений (по В. Лархеру, 1978)

При распространении растений необходимо учитывать устойчивость цветков в почках, самих цветков, семян и незащищенных молодых растений или наиболее чувствительных стадий развития, которые большей частью ограничивают сохранение и расселение вида, так называемое правило Тинеманна.

Распространена у растений жарких мест способность впадать в состояние вынужденного покоя.

У животных морфологические адаптации к температуре прослеживаются четко. Под действием теплового фактора у животных формируются такие морфологические признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой и шерстный покровы у птиц и млекопитающих, жировые отложения. Большинство насекомых в Арктике и высоко в горах имеет темную окраску. Это способствует усиленному поглощению солнечного тепла. Темный пигмент яиц многих водных животных выполняет ту же функцию. Эндотермные животные, обитающие в холодных областях (полярные медведи, киты и др.), имеют, как правило, крупные размеры, тогда как обитатели жарких стран (например, многие насекомоядные млекопитающие) обычно меньше по размерам. Это явление носит название правила Бергмана. Согласно этому правилу, при продвижении на север средние размеры тела в популяциях эндотермных животных увеличиваются (табл. 4.7).

Таблица 4.7

Изменение размера тела животных с широтой (по Бергману)

При увеличении размеров уменьшается относительная поверхность тела, а следовательно, и теплоотдача.

Размеры выступающих частей тела также варьируют в соответствии с температурой среды. У видов, живущих в более холодном климате, различные выступающие части тела (хвост, уши, конечности и др.) меньше, чем у родственных видов из более теплых мест. Это явление известно как правило Аллена. Правило Аллена наглядно проявляется при сравнении длины ушей у трех видов лисиц, обитающих в разных географических областях рис. 4.12).

Арктический вид

Температура тела 37°С

Средняя температура среды 0°С

Европейский вид

Температура тела 37°С

Средняя температура среды 12°С

Африканский вид

Температура тела 37°С

Средняя температура среды 25°С

Рис. 4.12. Различия в длине ушей у трех видов лисиц,

обитающих в разных географических областях

(по Н. Грину и др., 1993)

Третье правило (носит название правила Глогера) гласит, что окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и влажном. Эти правила (часто их называют законами), управляющие адаптациями млекопитающих, равным образом относятся и к человеку.

Биохимическая адаптация живых организмов к температуре проявляется прежде всего в изменении физико-химического состояния веществ, содержащихся в клетках и тканях. Так, при адаптации к низким температурам в клетках растения благодаря увеличению запаса пластических веществ повышается концентрация растворов, увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной воды, не связанной в коллоиды. И это очень важно, так как «связанная» вода трудно испаряется и замерзает, слабо отжимается под давлением, обладает большой плотностью и в значительной степени утрачивает свойство растворителя. Она становится кристаллической по структуре и в то же время сохраняет жидкое состояние. Между частицами цитоплазмы и водой устанавливается единство структуры, обеспечивающее ей таким образом вхождение в структуру макромолекул белков и нуклеиновых кислот. В таком состоянии ее трудно заморозить, перевести в твердое состояние. Важным приспособлением к низким температурам является и отложение запасных питательных веществ в виде высокоэнергетических соединений - жира, масла, гликогена и др. Так, И.М. Васильев (1970) описал значение отложения запасных веществ в растении в форме масла. Он утверждает, что масло прежде всего вытесняет воду из вакуоли и этим предохраняет растительный организм от замерзания. Масло, откладываясь в цитоплазме, делает ее более стойкой к морозу и к другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода. Такую же роль играют откладываемые в протоплазму и вакуоли крахмал и белки. Большое значение имеют и те биохимические изменения в запасных питательных веществах, которые протекают в период подготовки к зимнему состоянию. Так, значительная часть накопленного в летний период крахмала вновь превращается в сахар. При этом появляются сахара, которых обычно мало содержится в клетках летом. Например, зимой в клетках тканей коры у хвойных помимо сахарозы, глюкозы и фруктозы появляются стахиоза и рафиноза. В летний период они содержатся в других частях растения.

К тканевым механизмам приспособления к действию низких температур относится своеобразное распределение резервных энергетических веществ в теле организмов. При адаптации к холоду, по данным исследований, у организмов происходит «перемещение» веществ в органах. У тех или иных видов растений нередко к зиме масла и сахара откладываются в тканях надземных органов, а в подземных органах - крахмал. При этом в районах с очень низкими температурами у растений отмечается значительное накопление масла во внутренних слоях древесины, что повышает их устойчивость к сильным морозам. У животных, и в первую очередь обитателей полярных областей, с понижением температуры возрастает содержание гликогена в печени, повышается содержание аскорбиновой кислоты в тканях почек. У млекопитающих большое скопление питательных веществ наблюдается в бурой жировой ткани в непосредственной близости от жизненно важных органов - сердца и спинного мозга - и имеет приспособительный характер. В митохондриях клеток этой ткани при клеточном дыхании не синтезируется АТФ, а вся энергия рассеивается в виде тепла.

Многие животные к зиме накапливают жир. Подкожный жировой слой обеспечивает им теплоизоляцию. У ряда животных в выступающих или поверхностных частях тела (лапы некоторых птиц, ласты китов) есть замечательное приспособление под названием «чудесная сеть». Это сплетение сосудов, в котором вены тесно прижаты к артериям. Кровь, текущая по артериям, отдает тепло венам, оно возвращается к телу, а артериальная кровь поступает в конечности охлажденной. Конечности, по существу, пойкилотермны, зато температуру остального тела можно поддерживать с меньшими затратами энергии. На основе физиологических процессов многие организмы способны в определенных пределах менять температуру своего тела. Эта способность называется терморегуляцией. Как правило, терморегуляция сводится к тому, что температура тела поддерживается на более постоянном уровне по сравнению с температурой окружающей среды. Особенно совершенны механизмы терморегуляции у эндотермных животных. Как уже было отмечено ранее, эндотерм-ные животные способны вырабатывать достаточное количество тепла и регулировать теплоотдачу, поэтому равенство прихода и расхода тепла сохраняется (рис. 4.13).

Система терморегуляции млекопитающих и птиц включает рецепторы, эффекторы и чрезвычайно чувствительный регуляторный центр в гипоталамусе. Этот центр следит за температурой крови, отражающей температуру тех органов, через которые она протекает.

Рис.4.13. Схема теплообмена между телом лошади (температура 38°С) и окружающей средой в жаркий солнечный день при температуре воздуха 30°С. Прерывистыми линиями показана передача тепла путем излучения

Поддерживать температуру тела на постоянном уровне животным помогает испарение жидкости с поверхности тела при высоких температурах окружающей среды. У человека для этого служит потоотделение, у собак и многих птиц - учащенное дыхание. Некоторые сумчатые в жару обмазывают шкуру обильной слюной.

Пути теплообмена между пойкилотермным организмом и окружающей средой показаны на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Схематическое изображение путей теплообмена между

пойкилотермным организмом и окружающей средой

(по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Среди пойкилотермных животных некоторые также способны к терморегуляции при определенных условиях. Шмели, бражники, крупные вараны, отдельные виды рыб, например тунцы, могут повышать температуру тела в периоды высокой мышечной активности.

У животных есть разнообразные поведенческие адаптации к температуре. Они проявляются в перемещениях животных в места с более благоприятными температурами (перелеты, миграции), в изменениях сроков активности, сдвигая ее на более светлое время суток и т. д. В пустыне, где днем поверхность почвы может нагреваться до 60-70 °С, на раскаленном песке животных почти не увидишь. Насекомые, рептилии и млекопитающие проводят жаркое время, зарывшись в песок или спрятавшись в норы. В глубине почвы температура не так резко колеблется и сравнительно невысокая. Холодным утром кузнечики подставляют бока солнечному свету, а дневные бабочки расправляют крылья. В полуденную жару они, сложив крылья, располагаются параллельно лучам.

При понижении температуры воздуха многие животные переходят на питание более калорийной пищей. Белки в теплое время года поедают более ста видов кормов, зимой же питаются главным образом семенами хвойных, богатых жирами. Кормом оленям летом в основном служат травы, зимой - лишайники, содержащие в большом количестве белковые, жировые и сахаристые вещества.

Важное место в преодолении отрицательного воздействия низких температур, особенно в зимний период, занимает выбор животными места для жилища, утепление убежищ, гнезд пухом, сухими листьями, углубление нор, закрывание входов в них, принятие особой позы (например, скручивание кольцом, укутывание хвостом), собирание в группы, так называемое «скучивание» и т.д. Некоторые животные согреваются путем пробежек и прыжков.

При всем многообразии приспособлений живых организмов к воздействию неблагоприятных температурных условий среды выделяют три основных пути: активный, пассивный и избегание неблагоприятных температурных воздействий.

Активный путь - усиление сопротивляемости, развитие ре-гуляторных способностей, дающих возможность осуществления жизненных функций организма, несмотря на отклонения температур от оптимума. Этот путь ярко выражен у эндотермных животных, развит у эктотермных, в зачаточной форме проявляется у некоторых высших растений. Пассивный путь - это подчинение жизненных функций организма ходу внешних температур. Недостаток тепла вызывает угнетение жизнедеятельности, что способствует экономному использованию энергетических запасов. И как итог - повышение устойчивости клеток и тканей организма. Данный путь приспособления к воздействию неблагоприятных температур характерен для всех растений и эктотермных животных. Элементы пассивного приспособления, или адаптации, присущи и эндотермным животным, обитающим в условиях крайне низких температур. Выражается это в снижении уровня обмена, замедлении скорости роста и развития, позволяющее экономнее расходовать ресурсы в сравнении с быстро развивающимися видами. У млекопитающих и птиц преимущества пассивного приспособления в неблагоприятные периоды года используют гетеротермные виды, которые обладают способностью впадать в спячку или оцепенение.

Избегание неблагоприятных температурных воздействий - общий способ для всех организмов. Выработка жизненных циклов, когда наиболее уязвимые стадии развития проходят в самые по температурным условиям благоприятные периоды года. Для растений это главным образом изменения в ростовых процессах, для животных - разнообразные формы поведения.

В связи с тем что растения и животные исторически приспособлены к определенным тепловым режимам, совершенно закономерно, что температурный фактор имеет непосредственное отношение к их распределению на Земле и обусловливает в той или иной мере заселенность природных зон живыми организмами. Одной из главных закономерностей в распределении современных организмов является их биополярность. Она заключается в том, что у организмов в высоких широтах умеренных зон наблюдается определенное сходство в систематическом составе и ряде биологических явлений. Это характерно как для наземной, так и для морской фауны и флоры. Биополярность отмечается и в поширотном качественном составе живых организмов. Например, для тропической зоны характерно более высокое видовое разнообразие по сравнению с высокими широтами.

В данной статье предлагаем вашему вниманию самые разные и интересные факты о температуре. Пожалуй, каждый школьник знает, что температура это фундаментальное понятие в физике. А вообще температура играет большую роль для всех жизненных форм на земле. Оказывается, что при очень низких или наоборот – очень высоких температурах разные вещи ведут себя довольно странным образом.Самая высокая температура была создана руками человека и составила она 4 млрд. С 0 . В это трудно поверить, но учёным удалось достичь такого немыслимого уровня температуры, которая в 250 раз превышает температуру ядра у Солнца. Этот своего рода рекорд удалось достичь, благодаря ионному коллайдеру RHIC, который находиться в Естественной Лаборатории Брукхэвена (Нью-Йорк). Длинна этого коллайдера RHIC 4 километра. В ходе исследований, пытались воссоздать условия Большого взрыва. Для этого заставили столкнуться между собой ионы золота, создав при этом кварк-глюонную плазму.

Самая экстремальная температура в нашей Солнечной системе. Звезда Солнце очень горячая. В самом центре Солнца температура достигает отметки приблизительно 15 млн. Кельвинов, а сама поверхность Солнца нагрета до 5700 Кельвинов. К слову, температура ядра Земли примерно такая же, как и на поверхности Солнца. Самой горячей планетой в нашей Солнечной системе считают Юпитер. Так как температура его ядра в пять раз выше, нежели температура на поверхности Солнца.

Самая холодная температура зафиксирована на спутнике Земли – Луне. В отдельных кратерах, которые находятся в тени, температура достигает всего 30 Кельвинов – выше абсолютного нуля.

Есть народы, которые живут практически в экстремальных условиях и самых необычных местах, которые, казалось бы, никак не пригодны для жизни. Так есть самый холодный поселок на земле – Оймякон и еще город Верхоянск, что в Якутии (Россия). В этой местности зимой средняя температура опускается до минус 45С 0 . Это, пожалуй, самая экстремальная температура среды обитания человека. Самый холодный город также расположен в Сибири – Якутск (270 тысяч чел. населения). Зимняя температура там достигает отметки минус 45 С 0 , ну а летом может подняться до 30-ти С 0 .

Наиболее экстремально высокая температура отмечена в золотых шахтах Mponeng (Южная Америки). На глубине 3-х километров температура достигает плюс 65 С 0 . И в таких условиях работают люди. Чтобы как-то снизить эту невероятную жару, используют изолирующие покрытия для стен и лед.

Самая низкая температура была достигнута в искусственных условиях – 100 пико Кельвинов (0, 0000000001 K ). Таких результатов удалось достичь благодаря магнитному охлаждению. Еще подобного можно достичь лазерами. При таких аномально низких температурах любой материал и вещество ведут себя не так как в привычной для них среде.

Температура в космосе . Какая она? В космическом пространстве температура держится выше абсолютного нуля из-за радиации, которая еще осталась после Большого взрыва. Так например, если оставить в космосе термометр на некоторое время и подальше от источников радиации, то он будет показывать 2,73 Кельвина (минус 270 С 0). Такая температура считается самой низкой естественной температурой во Вселенной. Хоть космос и довольно таки холодный, как для нас. Но, оказывается, космонавты сталкиваются с самой важной проблемой – жарой. Металл из которого сделаны объекты на орбите, порой нагревается до 260 С 0 . Это происходит из-за свободных лучей Солнца. И дабы снизить температуру корабля, его оборачивают в специальный материал, понижающий температуру в два раза.

Но, тем не менее, температура в космосе падает. Так исследования показали, что каждые 3 млрд. лет наша Вселенная охлаждается на 1 градус, примерно. Температура на планете Земля никак не связанная с космической. К тому же, Земля последнее время медленно нагревается.

Есть ли самая высокая температура? Есть понятие абсолютный ноль, это такая температура, ниже, которой опуститься невозможно. А вот какая самая высокая, наука пока не может ответить.

Вообще-то самой высокой называют Планковскую температуру. Она была во Вселенной на момент Большого взрыва, так говорит современная наука. И достигала эта температура 10 ^32 Кельвинов. Простыми словами это в миллиарды раз выше и больше самой высокой температуры, которая когда-либо была получена искусственным путем. И на сегодняшний день она остается самой высокой из всех возможных.

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Институт заочного образования и повышения квалификации

Кафедра прогрессивных технологий в сельскохозяйственном производстве

По дисциплине: «Экология»

Тема: «Температура и ее роль в жизни организмов»

Студентки заочного отделения

Шелеметьевой Екатерины Ивановны

Новосибирск 2014 г.

Введение

1. Среда обитания

2. Факторы среды обитания

3. Закономерности экологических факторов

4. Температура

5. Температурные адаптации

5.1 Температурные адаптации у растений

5.2 Температурные адаптации животных

6. Основные пути температурных адаптаций

Список используемой литературы

Введение

Организмы, живущие на Земле, очень разнообразны и образуют целые царства и подцарства, которые включают растения, животных, грибы, бактерии, простейших, архебактерии, цианобактерии.

Все эти организмы живут в разных условиях, занимают строго определенное жизненное пространство. Каждый из них для своего нормального развития и размножения требует определенных условий окружающей среды.

Взаимоотношения между организмами и окружающей средой, действие среды обитания на строение, жизнедеятельность, и поведение организмов, зависимость между состоянием среды обитания и благополучием популяций и т.д. изучает наука экология.

Экология - это наука, изучающая отношения организмов (особей, популяций, биоценозов и т.п.) между собой и с окружающей средой их неорганической природой, общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня, среду обитания живых существ (включая человека).

В моем реферате мы рассмотрим, что же такое среда обитания и какую роль играет температура в жизни организмов.

1. Среда обитания

Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

Среда - это физические свойства пространства, окружающего растение, животного или человека, то есть температура, освещенность, давление, уровень радиации, подвижность частиц.

Первой средой, в которой возникла и распространилась жизнь, была водная среда. Постепенно живые организмы овладели наземно-воздушной средой, создали и населили почву, специфической средой жизни стали сами живые организмы.

В среде обитания всегда есть очень важные элементы, от которых зависит возможность существования организма и есть компоненты среды, для данного организма безразличные.

Поэтому, кроме понятия «среда обитания», в экологии сложились понятия о факторах среды и условиях существования организмов.

2. Факторы среды обитания

Элементы среды обитания, оказывающие положительное или отрицательное влияние на существование и географическое распространение живых существ, определяют как экологические факторы.

Условно все факторы делят на три группы: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы - все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы. Это температура, свет, давление, влажность и т.д.

В рамках темы мы рассмотрим только абиотические факторы, а конкретнее температуру и ее роль в жизни организмов.

Температура очень изменчивый в пространстве и времени экологический фактор. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана и в глубине пещер.

В характере воздействия экологических факторов на организмы и в их ответных реакциях можно выделить определенные закономерности.

3. Закономерности экологических факторов

Первая закономерность - закон оптимума. Каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Границы благоприятного воздействия на организм называются законом оптимума.

Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование не возможно.

Схема действия факторов среды на живые организмы представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 -Схема действия факторов среды на живые организмы

У каждого вида организмов свои пределы выносливости и оптимальные значения действия факторов среды. Так, песцы в тундре могут переносить колебания температуры воздуха около 80°С (от +30 до -50°С)

Вторая закономерность - неоднозначность действия фактора на разные функции организма. Один и тот же фактор оказывает различное влияние на функции организма.

Так, температура воздуха от +40 до +50°С у холоднокровных животных сильно увеличивает скорость обменных процессов, но тормозит двигательную активность и животные впадают в тепловое оцепенение (анабиоз). Бурый медведь спит при одной температуре, а для активных действий, поиска пищи, размножения ему нужна другая температура.

Третья закономерность - воздействие факторов на организм. Факторы окружающей среды действуют не каждый в отдельности, а взаимно (табл.1). Взаимодействие заключается в том, что изменение интенсивности одного из них может сузить предел выносливости к другому фактору или, наоборот, увеличить его.

Например, оптимальная температура повышает выносливость к недостатку влаги и пищи. Сильный мороз без ветра переносится легче, а в ветреную погоду при сильном морозе велика вероятность обморожения.

Таблица 1 - Взаимодействие факторов

Температура, °СВлажность,%Движение воздуха, м/с17,7 22,4 25100 70 200,0 0,5 2,5

Ощущения организмов одинаковы при разной комбинации трех факторов.

Четвертая закономерность - правило ограничивающего фактора. Если действие фактора выходит за критические точки - пределы выносливости, то существование вида становится невозможным. Например, недостаток тепла препятствует распространению некоторых видов плодовых растений на север (персик, грецкий орех).

Согласно теории Ч.Дарвина все организмы изменчивы и способны к адаптации.

Адаптация - это системы регулирования обменных процессов и физиологических особенностей, обеспечивающих максимальную приспособленность организмов к условиям окружающей среды.

4. Температура

Температуры - это границы существования жизни. В среднем они составляют от 0°С до +50°С. Однако некоторые виды приспособлены к активному существованию при температурах, выходящих за указанные пределы.

Виды, предпочитающие холод (криофилы) сохраняют активность до -10°С. Переохлаждение способны выносить бактерии, грибы, лишайники, мхи, членистоногие. Деревья и растения также преодолевают переохлаждение.

Существует группа организмов, предпочитающих высокие температуры - термофилы. Это черви, насекомые, клещи, обитающие в пустынях, бактерии. Латентные организмы (споры некоторых бактерий, семена растений и т.д.) могут выдержать перегревание до 180°С.

абиотический температура адаптация животный

5. Температурные адаптации

1 Температурные адаптации у растений

Растения неподвижные организмы, поэтому вынуждены приспосабливаться к температурным колебаниям. Они обладают специальными системами, предохраняющими от переохлаждения или перегрева. Например, транспирация - система испарения воды растениями через устьичный аппарат. Некоторые растения приобрели даже устойчивость к пожарам - их называют пирофитами. Так, у деревьев саванн толстая кора, пропитанная огнеупорными веществами.

5.2 Температурные адаптации животных

Животные обладают большей способностью приспосабливаться к изменению температуры, по сравнению с растениями. Они способны передвигаться, обладают собственной мускулатурой и производят собственное тепло.

В зависимости от механизмов поддержания постоянной температуры тела различают:

-пойкилотермных (холоднокровных) животных;

-гомойотермных (теплокровных) животных.

Холоднокровные - это насекомые, рыбы, пресмыкающиеся и земноводные. Их температура тела меняется вместе с температурой окружающей среды.

Теплокровные - животные с постоянной температурой тела, способные ее поддерживать даже при сильных колебаниях наружной температуры. Это млекопитающие и птицы.

6. Основные пути температурных адаптаций

Для того чтобы жить и размножаться в определенных условиях окружающей среды, у животных и растений в процессе эволюции выработались самые разнообразные приспособления и системы соответствия этой среде обитания.

Существуют следующие пути температурных адаптаций:

-химическая терморегуляция - увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры окружающей среды;

-физическая терморегуляция - способность удерживать тепло благодаря волосяному и перьевому покровам, распределению жировых запасов, возможности испарительной теплоотдачи и т.д.

-поведенческая терморегуляция - способность перемещаться из мест крайних температур в места оптимальных температур. Это основной путь терморегуляции у пойкилотермных животных. При повышении температуры они стремятся изменить позу или спрятаться в тень, в нору. Пчелы, термиты и муравьи строят гнезда с хорошо регулируемой температурой внутри них.

Для иллюстрации совершенства терморегуляции у высших животных и человека можно привести такой пример. Около 200 лет назад доктор Ч. Блэгден в Англии поставил такой опыт: он вместе с друзьями и собакой провел 45 мин. в сухой камере при +126 °C без последствий для здоровья. Любители финской бани знают, что можно проводить в сауне с температурой более +100 °C некоторое время (для каждого - свое), и это полезно для здоровья. Но мы также знаем, что, если держать при такой температуре кусок мяса, он сварится.

При действии холода у теплокровных усиливаются окислительные процессы, особенно в мышцах. Вступает в действие химическая терморегуляция. Отмечается мышечная дрожь, приводящая к выделению дополнительного тепла. Особенно усиливается обмен липидов, так как в жирах содержится значительный запас химической энергии. Поэтому накопление жировых запасов обеспечивает лучшую терморегуляцию.

Усиленное производство теплопродукции сопровождается потреблением большого количества пищи. Так, птицам, остающимся на зиму, нужно много корма, им страшны не морозы, а бескормица. При хорошем урожае ели и сосны клесты, например, даже зимой выводят птенцов. У людей - жителей суровых сибирских или северных районов - из поколения в поколение вырабатывалось высококалорийное меню - традиционные пельмени и другая калорийная пища. Поэтому, прежде чем следовать модным западным диетам и отвергать пищу предков, нужно вспомнить о существующей в природе целесообразности, лежащей в основе многолетних традиций людей.

Эффективным механизмом регуляции теплообмена у животных, как и у растений, является испарение воды путем потоотделения или через слизистые оболочки рта и верхних дыхательных путей. Это пример физической терморегуляции. Человек при сильной жаре может выделить до 12 литров пота в день, рассеивая при этом тепла в 10 раз больше нормы. Выделяемая вода частично должна возвращаться через питье.

Теплокровным животным, так же как и холоднокровным, свойственна поведенческая терморегуляция. В норах животных, живущих под землей, колебания температур тем меньше, чем глубже нора. В искусно построенных гнездах пчел поддерживается ровный, благоприятный микроклимат.

Особый интерес представляет групповое поведение животных. Например, пингвины в сильный мороз и буран образуют «черепаху» - плотную кучу. Те, кто оказался с краю, постепенно пробираются внутрь, где поддерживается температура около +37 °C. Там же, внутри, помещаются и детеныши.

Таким образом, среда обитания - одно из ключевых понятий экологии. При оценке влияния факторов среды на живые организмы важным оказывается интенсивность их действия: в благоприятных условиях говорят об оптимальном, а при избытке или недостатке - ограничивающем действии факторов среды (пределы выносливости).

В ходе эволюции и при воздействии меняющихся факторов среды живая природа достигла большого разнообразия. Но процесс не прекратился: меняются природные условия, организмы приспосабливаются к изменившимся условиям окружающей среды и вырабатывают системы адаптации для обеспечения чрезвычайной приспособленности к условиям обитания. Эта способность организмов адаптироваться к изменению среды является важнейшим экологическим свойством, обеспечивающим соответствие между существами и средой их обитания.

Список используемой литературы

Учебная литература

Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Для химических процессов необходима тепловая энергия. Для сложных биохимических реакций ее требуется особенно много.

Поэтому жизнь в активном состоянии возможна лишь при достаточно высокой температуре среды. От количества тепла, получаемого организмом, зависят любые физиологические процессы, их интенсивность, а в некоторых случаях и их направление.

Каковы же температурные условия жизни на Земле. У большинства организмов жизнедеятельность протоплазма возможна в пределах от минус 4 до плюс 40-45°. При постепенном повышении температуры удается повысить теплоустойчивость клеток и организма, но до определенного предела, после которого начинается разрушение ферментов и других белковых соединений, вызывающее смерть. Однако в природе возникли и исключительно теплоустойчивые и теплолюбивые организмы. Как известно, с увеличением глубины температура земной коры повышается. Микробиологи считают, что нижней границей биосферы (т. е. областью земной коры и атмосферы, населенной жизнью) является изотерма в +100°. Особые виды бактерий были найдены в известняках на глубинах до 500 м от поверхности Земли. Эти бактерии жили при +35°.

Некоторые животные и водоросли могут населять горячие источники, в которых обычные организмы «свариваются» в несколько минут или секунд. Так, например, имеются водоросли, которые растут в горячих озерах при +90°. В некоторых горячих источниках при +81° найдены круглые черви - нематоды; личинки мух - при +69°, а улитки при +47, +50°.

У организмов, не приспособленных к жизни при постоянно высоких температурах, сопротивляемость нагреванию, конечно, значительно ниже. Но она может меняться и зависит, как выяснилось, от гормональных процессов и от содержания воды и жиров в протоплазме. Клетки животных редко длительное время переносят температуры выше 40°. Но в период покоя, когда снижается содержание воды, теплоустойчивость повышается. Так, например, колорадские жуки во время диапаузы (период покоя, остановки развития у насекомых) выносят в течение часа температуру +58°.

У микроорганизмов в состоянии покоя (цисты, споры) количество воды уменьшается очень резко, протоплазма становится вязкой, она не подвергается денатурации при температурах кипения воды, а иногда и при + 130, +150° (под давлением).

Другие организмы, напротив, приспособились к очень низким температурам, к жизни в наиболее холодных районах нашей планеты. Так, в районе полюса холода северного полушария - в Верхоянске - насчитывают до 200 видов растений. Антарктический материк почти совершенно безжизнен; здесь не хватает тепла, нет почвы, и сплошные массы вечного льда покрывают материк. Но на участках, обнаженных ото льда («оазисах»), найдено несколько десятков видов различных беспозвоночных животных и низших растений. Они живут здесь несмотря на то, что минимальные температуры достигают в Антарктиде -80° и ниже.

Стоит задуматься над тем, почему жизнь прекращается при низких температурах. При нагревании денатурируются белки, а при охлаждении оказалось, что наиболее опасно образование льда в тканях и клетках. Лет 30 назад распространено было мнение, что многие животные, в том числе и позвоночные - рыбы, лягушки, зимой промерзают, а весной вновь оживают. Впоследствии выяснилось, что это не так: кристаллы льда в протоплазме клеток высокоорганизованного животного неминуемо нарушают ее структуру, клетка гибнет.

Но если клетка теряет воду, устойчивость ее к холоду повышается. Из-за отсутствия воды клетки и ткани не замерзают. Так, например, некоторые относительно примитивные животные - коловратки, тихоходки, нематоды - в высушенном состоянии способны переносить охлаждение вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Такой же выносливостью обладают споры и семена растений.

Около 20 лет назад было обнаружено очень интересное явление, поразившее биологов. Если быстро погрузить отдельные живые клетки или микроорганизмы в жидкий воздух (около -190°), они мгновенно замерзают, но после оттаивания остаются живыми. Оказалось, что при очень быстром охлаждении вода не кристаллизуется и застывает, как стекло. Это и сохраняет жизнь клеткам.

Следовательно, не сама низкая температура, а лишь кристаллизация воды губительна для живой системы.

Микроорганизмы в виде спор, цист, а некоторые и в активном состоянии могут выносить температуру жидких газов (от -180 до -271°). Как показали исследования последних лет, клетки высокоорганизованных животных и растений при определенных условиях тоже могут переносить сверхнизкие температуры. Приведем несколько примеров.

Клетки из разных тканей животных помещали на некоторое время в раствор глицерина, а после этого переносили в жидкий газ с температурой до -196°. Отогретые после этой процедуры клетки «оживали». Сперматозоиды млекопитающих - быка, барана, кролика и других сохранялись в состоянии анабиоза при температуре около -196° и после отогревания не потеряли способности активно двигаться и оплодотворять яйцевую клетку. В опытах со сперматозоидами быка удалось «оживить» эти клетки после 8 лет пребывания при сверхнизкой температуре.

Но и без специальных защитных веществ, вроде глицерина, некоторые насекомые, зимующие в высоких широтах, могут переносить глубокое охлаждение. В природе они охлаждаются до -20, -30, может быть, даже -50°. В лаборатории Института цитологии АН СССР постепенно охлаждали зимующих гусениц кукурузного мотылька до -183 и -196°. Самые разнообразные клетки их тела оставались после оттаивания живыми в течение многих недель.

Что же происходит при такой низкой температуре, почему клетки не погибают? В природе наиболее часто защитой от замерзания является переохлаждение жидкостей тела. Известно, что при некоторых условиях вода не замерзает при 0°. а охлаждается без замерзания до значительно более низких температур. То же происходит и в клетках. В этом состоянии переохлаждения, исследованном подробно у насекомых, животное неподвижно, находится в оцепенении, но остается живым. Личинки жука короеда - заболонника струйчатого оставались, по нашим наблюдениям в природе, мягкими, не замерзшими при температуре от -48 до -55° в течение трех суток.

Но и кристаллизация жидкостей тела не всегда приводит к смерти. Еще в 1937 году нам удалось установить, что некоторые виды насекомых способны выдерживать замерзание с кристаллизацией жидкостей тела. Например, гусеницы кукурузного мотылька, зимующие в стеблях травянистых растений, при -30° нередко замерзают так, что становятся совершенно твердыми, и сохраняются в течение многих дней, после оттаивания они продолжают жить. В специально поставленных опытах эти гусеницы «оживали» после суточного пребывания в температуре -78° в замерзшем, твердом, как стекло, состоянии.

Но и эта температура еще не «рекордная» Недавно японские исследователи Асахина и Аоки поставили ряд экспериментов с постепенным охлаждением насекомых и других беспозвоночных - сперва их помещали в температуру -30°, после чего замерзшие животные сразу переносились в -183 или в -196°. После оттаивания некоторые из них оказались живыми. Такую температуру переносили в замерзшем состоянии довольно сложные животные, имея нормальное количество воды в теле.

В 1961-1962 годах в Институте цитологии АН СССР ставились опыты с глубоким охлаждением большого количества гусениц кукурузного мотылька. Оказалось, что свыше 70% гусениц переживали 25-суточное охлаждение до -78° и около 40% смогли развиваться и превращаться в куколок и бабочек после суточного пребывания при столь низкой температуре. Многие из этих гусениц под влиянием длительного процесса закаливания при температурах около 0° оставались живыми, пробыв 1-2 суток в жидком азоте (-196°).

Высокоорганизованные животные погибают уже при не значительном понижении температуры тела и не переносят даже небольшого количества льда во внутренних органах. Но высшие растения переносят очень низкие температуры

Очень интересны, например, опыты, проведенные Тумановым с сотрудниками в Институте физиологии растении АН СССР. Для опыта были взяты ветки различных древесных пород, березы бородавчатой, черной смородины, яблони и других. Срезанные ветви березы закаливались сначала при -5°, а затем каждый день температура зимой понижалась до очень низкой температуры, пока не достигла -60° После этого ветви опускались на двое суток в жидкий азот (-196°) и затем отогревались. Ветви смородины закаливались более длительно и из жидкого азота переносились в жидкий водород (-253°) на два часа, откуда снова в азот, который постепенно испарялся в течение шести суток. В дальнейшем, когда ветви были помещены в воду, почки на ветвях распускались. Без закаливания ветви погибали при -45°. Совсем не выдерживали охлаждения ветви, срезанные летом

Невольно возникает вопрос, почему живые ткани могут переносить такие низкие температуры, каких не бывает на Земле? Известно, что развитию высокой холодоустойчивости способствует закаливание при низкой температуре, постепенное понижение интенсивности обмена веществ при наступлении зимнего покоя, спячки, в это время уменьшается количество воды, способное превратиться в лед при охлаждении, увеличивается количество веществ, которые препятствуют замерзанию. Но основная причина в том, что клетки могут переходить в состояние анабиоза, при котором временно совсем прекращается обмен веществ. Это состояние наступает при температурах, которые не слишком низки и наблюдаются на Земле. Когда же организм находится в состоянии анабиоза, дальнейшее охлаждение для него уже не имеет существенною значения.

Приспособление живых существ шло и по другим направлениям - позвоночные, например, приобрели способность сохранять и повышать активность обмена при низких температурах. Так возникла теплокровность, при которой температура тела сохраняется независимо от температуры среды.

Некоторые виды насекомых, подобно теплокровным животным, могут сохранять активность при морозах до -10° и даже ниже. По-видимому, для этого достаточно тепла, выделяющегося при мышечной работе. Быть может, этому способствует также поглощение инфракрасных лучей Солнца

Для космической биологии очень интересно изучить, существуют ли физиологические различия между органами и тканями животных, живущих в разном климате. И если такие различия есть, нельзя ли обнаружить их между клетками очного и того же животного, расположенными внутри и на поверхности тела, которая испытывает значительные колебания температуры?

Очень небольшое количество подобных наблюдений отрывает увлекательные перспективы для будущих исследований.

Известно, что у арктических и антарктических птиц не покрытая перьями поверхность ног может иметь очень низкую температуру кожи и не страдать при жестоких морозах Установлено, что периферические нервы у арктических птиц и млекопитающих проводят импульсы при более низкой температуре, чем соответствующие нервы у животных, приспособленных к тропическому климату или живущих в лабораторных условиях. Когда берут ткани для культивирования в искусственных условиях от различных грызунов, то оказывается, что клетки их тем дольше сохраняют жизнеспособность при низкой температуре, чем в более суровых условиях жил дикий зверек.

У растений и животных Арктики и высокогорий способность к активной жизни нередко как бы сдвигается в сторону низких температур по сравнению с их родичами из более теплых мест. Так, в умеренном климате у большинства организмов (кроме, конечно, теплокровных) дыхание прекращается между -5 и -15°. У некоторых же насекомых Арктики дыхание обнаруживается еще при температуре в -26 и -38°. Среди растений только хвойные дышат при еще более низкой температуре.

В высокогорьях на вечных снегах встречается одноклеточная водоросль (Spherella nivalis), которая покрывает снег красными или зелеными налетами. Лучше всего она растет при +4° и может еще расти при -34°. Таким образом, организмы способны приспосабливаться к самым низким из имеющихся на Земле температурам.

В лабораторных условиях путем «воспитания» или «закаливания» удается еще более расширить температурные границы жизни. Особенно легко «перевоспитываются» одноклеточные организмы. В опытах профессора Ю. И. Полянского (Институт цитологии АН СССР) инфузории туфельки помещались в воду с температурой около 0°. Сначала они были в очень угнетенном состоянии, некоторые погибли, но другие постепенно «привыкли» и стали размножаться. Потомство таких «закаленных» туфелек оказалось способным переносить в переохлажденной воде температуру до -15° (до закаливания они выдерживали температуру лишь немного ниже 0°). Процессы закаливания хорошо изучены у растений и у некоторых животных. При этом удается «приучить» организмы к температурам более низким, чем бывает на Земле. Естественно допустить, что температурные условия гораздо более суровые, чем на нашей планете, не могут быть препятствием для жизни.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .