Температура связана со средней кинетической энергией движения частиц, выражается в градусах различных шкал. Наиболее распространена шкала температур в градусах Цельсия (°С). В ее основу положена величина расширения воды, для которой температура кипения равна 100 °C. В системе СИ принята абсолютная шкала температур в Кельвинах: Т кипения воды = 373 К.
Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. И хотя у эвритермных и стенотермных видов эти интервалы различны, для большинства из них зона оптимальных температур, при которых жизненные функции осуществляются наиболее активно и эффективно, сравнительно невелика. Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, составляет примерно от 0 до 5 °C, т. е. когда возможно поддержание нормальной структуры и функций белков.
Выделяют 2 экологические группы организмов, сохраняющих активное существование при температуре за пределами этого диапазона:
1. Криофилы – виды, предпочитающие холод. Существуют при температуре до минус 8–10 °C, когда жидкости их тела находятся в переохлажденном состоянии. Например, бактерии, грибы, лишайники, мхи, членистоногие и т. д.
2. Термофилы – виды, живущие при высоких температурах. Например, нематоды, личинки насекомых и клещей. Отдельные виды микроорганизмов, главным образом бактерии и водоросли, способны жить и размножаться при температурах, близких к точке кипения.
В состоянии полного покоя (анабиоза), когда происходит приостановка всех жизненных процессов организма, споры некоторых растений могут выдерживать температуру до 180 °C, цисты простейших – до –271,16 °C. Затем они могут возвращаться к нормальной активности.
Очень часто температура выступает в качестве лимитирующего фактора.
Растения являются неподвижными организмами и существуют при том тепловом режиме, который создается в местах их произрастания. Высшие растения умеренного пояса эвритермны. В активном состоянии они переносят колебания температур, достигающие 60 °C.
По степени адаптации растений к условиям крайнего дефицита тепла можно выделить три группы:
1. Нехолодостойкие растения: сильно повреждаются или гибнут при температуре выше точки замерзания воды. Например, растения дождевых тропических лесов, водоросли теплых морей.
2. Неморозостойкие растения: переносят низкие температуры, но гибнут, когда в их тканях начинает образовываться лед. При наступлении холодного времени года у них повышается концентрация осмотически активных веществ в клеточном соке и цитоплазме, что понижает точку замерзания до минус 5–7 °C.
Например, вечнозеленые растения субтропиков. В период вегетации все листостебельные растения неморозостойки.
3. Морозоустойчивые, или льдоустойчивые растения: произрастают в областях с сезонным климатом и холодными зимами. Во время сильных морозов надземные органы деревьев и кустарников промерзают, но сохраняют жизнеспособность.
После окончания ростовых процессов эти растения проходят предварительную закалку. Они накапливают в клетках сахара (до 20–30 %), производные углеводов и аминокислот, которые связывают воду. При этом перестраиваются ультраструктура и ферментные системы клеток, которые могут переносить обезвоживание при образовании льда. По степени адаптации к высоким температурам бывают:
1. Нежаростойкие виды повреждаются при температуре от 30 до 40 °C. Это эукариотические водоросли, водные цветковые, наземные мезофиты.
2. Жаровыносливые эукариоты переносят нагревание до 50–60 °C в течение 30 мин. Например, растения сухих мест обитания с сильной инсоляцией (степей, пустынь, саванн, сухих субтропиков).
3. Жароустойчивые прокариоты могут жить в горячих источниках при 85–90 °C. Это термофильные растения и некоторые виды синезеленых водорослей.
По характеру поддержания температуры тела всех животных можно разделить на две группы:
1. Пойкилотермные (холоднокровные) – их температура тела зависит от температуры окружающей среды и является практически такой же, как и температура среды (одноклеточные и многоклеточные животные до класса птиц).
2. Гомойотермные (теплокровные) – их температура тела не зависит от температуры внешней среды и является более или менее постоянной. Если температура и изменяется, то в небольших пределах – на доли градуса. Сюда относят классы птиц и млекопитающих, включая человека.
Постоянная температура тела уменьшает зависимость организмов от внешней среды, способствует более широкому расселению животных и заполнению большего числа экологических ниш.
Температура влияет на гомойотермных животных с точки зрения наличия (или отсутствия) кормовой базы.
Гетеротермия – это частный случай гомойотермии. Свойственна животным, впадающим в спячку или оцепенение в неблагоприятное время года (например, суслики, сурки, ежи, летучие мыши, стрижи, колибри).
В отличие от растений, животные обладают мускулатурой и производят больше собственного внутреннего тепла.
Существует три типа температурных адаптаций у животных:
1. Химическая терморегуляция – это активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды.
Пойкилотермные организмы отличаются более низким уровнем обменных процессов.
Но некоторые животные, например арктические рыбы, обитающие постоянно при температуре –1,8 °C, содержат в тканевой жидкости вещества (гликопротеиды), препятствующие образованию кристаллов льда в организме. У насекомых для этих целей накапливается глицерин. Другие животные, наоборот, увеличивают теплопродукцию организма за счет активного сокращения мускулатуры – так они повышают температуру тела на несколько градусов. Третьи регулируют свой теплообмен за счет обмена тепла между сосудами кровеносной системы (например, рыбы, постоянно обитающие в холодной воде).
У ряда холоднокровных животных температура тела может меняться в зависимости от физиологического состояния: например, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься на 10–12 °C и более из-за усиленной работы мышц.
У человека при низких температурах сильно замедляется скорость биоорганических процессов, а при высоких – быстро возрастает. Это приводит к нарушению равновесия в протекании биохимических процессов, к возрастанию заболеваемости, а иногда и к смертности. При увеличении температуры увеличивается количество секрета потовых желез, просвет кровеносных сосудов в коже, а при уменьшении температуры – просвет сокращается.
2. Физическая терморегуляция заключается в способности удерживать или рассеивать тепло за счет анатомо-морфологических особенностей строения (например, перераспределение жировых запасов).
Наиболее совершенная терморегуляция наблюдается у гомойотермных животных. В процессе эволюции они приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря наличию четырехкамерного сердца и одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и венозного кровотока, высокий обмен веществ; перьевой или волосяной покров; регуляцию теплоотдачи. У большинства птиц температура тела немного выше 40 °C, а у млекопитающих – несколько ниже.
3. Поведенческая (или этологическая) терморегуляция – это активное перемещение в пространстве или усложнение поведения.
Адаптивное поведение проявляется в том, что многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места под солнцем для обогрева или меняют различные позы для увеличения согреваемой поверхности.
Температура, как и световой режим, от которого она зависит, закономерно меняется в течение года и в связи с географической широтой. Поэтому все приспособления более важны для обитания при отрицательных температурах.
2.4.3. Влажность
Вода играет исключительную роль в жизни любого организма, так как является структурным компонентом протоплазмы клеток, тканей, растительных и животных секретов (на долю воды приходится 60–80 % массы клетки).
Значение воды в жизни клетки определяется ее физико-химическими свойствами. Полярная молекула воды способна притягиваться к любым другим молекулам и образовывать гидраты, т. е. является растворителем. Многие химические реакции могут протекать только в присутствии воды. Вода является в живых системах «тепловым буфером», поглощая тепло при переходе из жидкого состояния в газообразное.
Таким образом, она предохраняет неустойчивые структуры клетки от повреждения при кратковременном освобождении тепловой энергии, производит охлаждающий эффект при испарении с поверхности и регулирует температуру тела.
Теплопроводные свойства воды определяют ее ведущую роль терморегулятора климата в природе.
Вода медленно нагревается и медленно охлаждается: летом и днем вода морей, океанов и озер нагревается, а ночью и зимой также медленно охлаждается. Между водой и воздухом происходит постоянный обмен углекислым газом. Кроме того, вода выполняет транспортную функцию, перемещая вещества почвы сверху вниз и обратно.
