Направи дарение на училище!

Автор: Катрин Димитрова

Резюме:

Разпределението на видовете е ограничено от различни фактори на околната среда, и за да се справят със стреса на средата животните развиват разнообразни видове адаптации. Адаптацията е развитие на подобрени способности за оцеляване и репродукция в специфична среда на живот. Този процес на модификация е необратим, тъй като се проявява в продължение на стотици или хиляди поколения. Науката вярва, че адаптацията е еволюционен отговор, предизвикан от естествения подбор.

Температурата влияе на всички нива на биологичната организация на животните. Ендотермичните (или още наричани топлокръвни) животни получават телесната си топлина от вътрешни метаболитни реакции и поддържат сравнително постоянна телесна температура. Ендотермията обаче е изключително енергетично скъпа и успехът на ендотермите до голяма степен зависи от правилното тергморегулиране и наличието на големи количества кислород. Успехът на ендотермите може да бъде подложен на изпитание от физиологичните стресови условия на околната среда, които съществуват в различните местообитания. Ендотермите, живеещи в пустините, рискуват да са хипертермични и трябва да разчитат на изпаряване на водата в среда на засушаване, за да се терморегулират. Топлокръвните животни, обитаващи изключително студена среда, в която хранителните им ресурси могат да бъдат ограничени, трябва да използват значителна енергия, за да останат топли. Въпреки тези предизвикателства, топлокръвните бозайници успешно обитават тези две местообитания благодарение на физиологичните си адаптации.

Ключови думи: Адаптации, ендотерми, екстремни условия, бозайници, пустини, сухи савани, Арктика, Арктическа тундра, Арабска камила, Газела на Томсън, Арктическа лисица, Гренландски тюлен, Нарвал, оцеляване

Разбери повече за БГ Наука:

***

Животът в пустините и сухите савани

Гореща и суха пустиня – това е среда, в която валежите са толкова редки, оскъдни и променливи, че оказват голямо влияние върху биологичната производителност. В много от случаите сухите савани са близки на пустините, поради високите температури на въздуха, но те са и по-влажни местообитания. В сухите савани, както и в пустините, водата е доминиращ фактор, който контролира биологичните процеси, ето защо животните трябва да поддържат подходящ воден баланс. В много пустини недостигът на вода се комбинира с високите температури на въздуха и земната повърхност, както и интензивната слънчева радиация, което създава предизвикателна среда за ендотермичните бозайници. Критичен проблем за ендотермите, живеещи в пустините, е свързан с това да се справят с топлината, тоест животните не трябва да изпадат в хипертермия. Температурата в пустините често надвишава телесната температура на повечето ендотерми, обитаващи тази среда на живот. Следователно, тези животни са изправени пред предизвикателството да изнесат топлина извън тялото срещу темепратурния градиент, и единственият наличен механизъм за това е охлаждане чрез изпарения.

Арабска камила (Camelus dromedaries)

Камилата, бидейки голям ендотермичен бозайник, е известен пример за издръжливо пустинно животно. Арабската камила (Camelus dromedaries) обитава Арабската и Сахарската пустини и има способността да оцелява при температури до 55°C през деня и минусови температури през нощта.

Камилите са способни да издържат до 30% загуба на вода, докато хората могат да понесат загуба до 12%. Камилата може да изпие до 200 литра (или около 30% от собственото си тегло) само за 3 минути, за да възстанови недостига на вода. Губейки течност от тъканите си, вместо кръв, тези животни имат способността да намаляват кръвообращението си, без да влияят върху вискозитета на кръвта. Това позволява обемът и съставът на кръвта да останат относително непокътнати. Този механизъм дава възможност на камилите да понасят до 27% дехидратация и да избегнат смъртта от топлинен удар. За да предотврати бързото разреждане на кръвта по време на рехидратация, камилата съхранява големи количества питейна вода (до 24 часа) в червата си. В допълнение към това, камилите притежават специални червени кръвни клетки, които си силно резистентни на потенциалния осмотичен шок, съпровождащ промени в съдържанието на телесната вода.

Камилите имат и специален механизъм за намаляване отделянето на урея в урината, когато са лишени от вода. Намаленото отделяне на урея редуцира количеството вода, необходимо за отделянето ѝ, и следователно количеството на урината може да бъде понижено, като по този начин се запазва вода. Механизмът е както следва: Вместо да бъде отделена, уреята навлиза в търбуха, където бактерия я използва за протеинов синтез. По-нататък, в чревния тракт, този протеин се усвоява в аминокиселини и се абсорбира от камилата. По този начин, урейният азот се рециклира, за да се извлече протеин, вместо да бъде отделен. Камилата може активно да насочи уреята в един или в друг канал. Уреята се рециклира само в състояние лишено от вода. В добре хидратирано състояние камилата отделя урея в урината като всички останали животни.

За да се справят с намаляването (до 75%) на влажността на въздуха през нощта, камилите също са развили назална топлообменна система в своите носни канали. Този механизъм е напълно пасивно изменение между изпарението и абсорбцията на вода, което им позволява да спестят до 60% от водата, издишана във въздуха от белите дробове, посредством издишване на наситен въздух. При нарастващата дехидратация, секрецията утихва и носните мембрани на камилата изсъхват. Тези големи участъци след това се покриват със слой суха слуз, съдържаща соли от епителни клетки. Ключът към десатурацията на въздуха е, че сухите повърхности поемат водни пари от издишания въздух и отделят водни пари от повърхността по време на вдишване. Този механизъм функционира само, когато носните канали са изсъхнали.

Газела на Томсън (Eudorcas thomsonii)

Газелата е друг пример за животно адаптирало се към високите температури. Газелата може да бяга много бързо и прекарва голяма част от времето си бягайки, което значително увеличава метаболитните ѝ нива, а това от своя страна води до огромно топлинно натоварване. Газелите притежават противопосочна топлообменна структура, известна като каротидна мрежа. Мозъкът е известен като най-чувствителния орган към топлина и този механизъм действа като „мозъчен охладител“, който позволява на мозъка да функционира в нормални температурни граници.

Газелата на Томсън живее в Източноафриканската савана, където е изложена на високи температури и може да развие скорост от 40 км/ч, когато бяга от хищник като гепарда. Тази висока скорост води до повишаване на температурата на артериалната кръв от 39°C до 44°C. При газелите по-голямата част от кръвта към мозъка тече по външната каротидна артерия, която в основата на черепа се разделя на стотици малки артерии, които впоследствие се съединяват преди да навлязат в мозъка. Тези малки артерии се намират в голям синус от венозна кръв, която идва от стените на назалните канали, където е била охладена. Следователно, кръвта, която тече през тези малки артерии се охлажда преди да навлезе в черепа, и в резултат на това температурата на мозъка може да е с 3°C по-ниска от телесната температура и от температурата на кръвта в каротидната артерия.

Животът в Арктика и Арктическата тундра

Арктика е полярен регион, разположен в най-северната част на Земята. Районът включва също и Арктическия океан. Климатът е изключително студен, с дълги и сурови зими с температури до –50°C. Летните температури са около 10°C. Арктическата тундра е подобна на Арктическия регион и се намира точно под ледената шапка на Арктика, разпростираща се през Северна Америка, Европа и Сибир. Количествата на валежите са ниски, което прави тундрата подобна на пустинята. Вероятно най-важният проблем, пред който са изправени ендотермите, обитаващи тези студени среди, е способността да намаляват своите топлинни загуби.

Арктическа лисица (Alopex lagopus)

Арктическата лисица (Alopex lagopus) е малък хищник, който може да оцелее при температури от –50°C. Това го прави най-устойчивия сухоземен бозайник в Арктическата тундра. Арктическата лисица е хомеотерм, т.е. може да поддържа сравнително постоянна телесна температура.

Козината на животните е основна бариера за топлинния поток. Стойностите на изолацията се увеличават с дебелината на козината и достигат максимума си при козината на арктическата лисица. В допълнение, има взаимна зависимост между размера на тялото и дебелината на козината. Обикновено малките животни имат по-малко плътна и къса козина спрямо големите животни, но арктическата лисица е изключение от тази тенденция.

Когато температурата на въздуха стане твърде ниска, арктическата лисица се свива на кълбо; съотношението между малкия обем и повърхността на тази компактна форма намалява допълнително повърхностния топлообмен с 70%. Страничната (латерална) зона на бедрата на лисицата се снижава до земята. Предните крака се отдръпват назад по коремните зони, докато задните крака се позиционират напред и под задната част на тялото. Лисицата поставя главата си на предните лапи и с опашката си покрива муцуната и задните си крака. Частите на тялото, които са пряко изложени на студената температура на въздуха са покрити с най-дебелата козина, която има способността да отдава много по-малко топлина от частите покрити с по-малко дебела козина.

Гренландски тюлен (Pagophilus groenlandicus)

Много тюлени обитават и плуват в близките ледени води на Антарктическите и Арктическите морета. В допълнение към това, водата има по-висок топлинен капацитет и топлинна проводимост в сравнение с въздуха, и в резултат на това топлинните загуби във водата са много по-високи. Тюлените убедително се справят с тези сурови условия, поради физическите си адаптации, които увеличават изолацията на тялото, за да се намали топлинната загуба.

По отношение на телесната температура тюлените се доближават до другите топлокръвни бозайници. Обичайната им телесна температура е около 36-38°C. Гренландският тюлен, е арктически вид, при който скоростта на метаболизма остава постоянна и дори най-студената вода не позволява топлинната загуба да нарасне достатъчно, за да се изисква допълнително производство на топлина.

Кожата на Гренландския тюлен има относително тънка козина, но дебел слой от кръвоснабдена мастна тъкан (известена като китова мас), намираща се под кожата, която позволява значителна изолация. Ето защо температурата на повърхността на кожата на тюлена е почти идентична с тази на водата, поради което много малко топлина може да бъде прехвърлена към водата.

Ако Гренландските тюлени са толкова добре изолирани, как успяват да избегнат прегряването, когато скоростта на метаболизма се повиши по време на бързо плуване? Ако тюленът се извади от водата и се постави във въздуха, температурата на кожата му значително се увеличава. Въздухът намалява охлаждащата сила в сравнение с тази на водата. Следователно, за да отдадат по-малко топлина във въздуха, тюлените трябва да имат по-висока температура на кожата. Тюлените увеличават температурата на кожата си, като повишат кръвния поток на кръвоснабдения повърхностен слой под кожата, известен като китова мас. Тази система от кожни кръвоносни съдове позволява прецизна регулация на количеството топлина, което достига до повърхността на кожата и по този начин то се губи в околната среда.

Нарвал (Monodon monoceros)

Нарвалът, Monodon monoceros, е среден на размер зъбат кит. Специфичната особеност на този вид е неговият голям „бивник“, който всъщност е изпъкнал кучешки зъб. Нарвалът обитава целогодишно арктическите води около Русия, Гренландия и Канада.

Нарвалите имат плавници, които нямат китова мас и са слабо изолирани. Тези израстъци са много добре кръвоснабдени и по този начин животното може да загуби значителни количества топлина. Арктическите води са ледено студени и, ако кръвта от плавниците е с ниска температура, докато се връща в сърцевината на тялото, това ще доведе до охлаждане в цялото тяло. Тогава как нарвалите избягват тази прекомерна топлинна загуба от плавниците, когато топлината трябва да бъде съхранена?

Специалната структура на кръвоносните съдове в плавниците, действащи като топлообменник, предотвратява прекомерната загуба на топлина от кръвта. Всяка артерия в нарвалените плавници е обградена от всички страни с вени. Във вените кръвта е по-студена, отколкото в артериите. По този начин тази студена венозна кръв охлажда топлата артериална кръв, която се влива в плавниците. Артериалната кръв е предварително охладена преди да достигне до периферията на плавниците и използвайки този механизъм се освобождава малко топлина в контакт със студената вода. Преди да влезе отново в тялото, венозната кръв се нагрява предварително чрез предаването на топлина. Този тип топлообмен е известен като противотоплообменник, защото кръвта тече в противоположни посоки в двата потока.

Референции:

Bornstein, S. (1990). The ship of the desert. The dromedary camel (Camelus dromedarius), a domesticated animal species well adapted to extreme conditions of aridness and heat. Rangifer. 10(3), 231-236.

Hill, R. W., Wyse, G. A., Anderson, A. (2012). Animal physiology. 3^rd Edition. Sunderland: Sinauer Associates.

Mitchell, D., Maloney S., Jessen, C., Laburn, H., Kamerman, P., Mitchell, G., Fuller, A. (2002). Adaptive heterothermy and selective brain cooling in arid-zone mammals. Comparative Biochemistry and Physiology Part B. 131(4), 571-585.

Prestrud, P. (1991). Adaptations by the Arctic Fox (Alopex lagopus) to the Polar Winter. Arctic. 44(2), 132-138.

Prosser, C. L. (1991). Comparative animal physiology. 4^th Edition. Chichester: Wiley.

Schmidt-Nielsen, K. (1997). Animal physiology: adaptation and environment. 5^th Edition. Cambridge: Cambridge University Press.

Schmidt-Nielsen, K., Schrote, R., Shkolnik, A. (1981). Desaturation of exhaled air in camels. Proceedings of the Royal Society Biological Scinces. 211(1184), 305-319.

Willmer, P., Stone, G., Johnson, I. (2005). Environmental physiology of animals.
2^nd Edition. Oxford: Blackwell.

Списък на фигурите:

Фигура 1: http://revelwallpapers.net/d/723235646F583742784D436D74614B627959357630366E66354B694167673D3D/sand_animals_desert_fennec_fox_foxes_1920x1080_72022.jpg
http://www.earthrangers.com/content/wildwire/sleeping-arctic-fox.jpg

Фигура 2: http://foundtheworld.com/wp-content/uploads/2015/07/Sahara-Desert-9.jpg  http://images.nationalgeographic.com/wpf/media-live/photos/000/000/cache/acacia-tree-africa_41_600x450.jpg

Фигура 3: http://www.tagant.org/media/images/fauna/mamif-5.jpg

Фигура 4: http://m1.i.pbase.com/o6/53/627653/1/136945181.PipTG7t0.100_1833.JPG

Фигура 5: Schmidt-Nielsen, K. (1997). Animal physiology: adaptation and environment.
5^th Edition. Cambridge: Cambridge University Press.

Фигура 6: http://vovworld.vn/Uploaded/phamhuan/2015_09_08/arctic-warming-ocean-acid.jpg
https://zahariz.files.wordpress.com/2014/02/n13.jpg

Фигура 7: http://m.iphotoscrap.com/Image/256/1271387787.jpg

Фигура 8: Willmer, P., Stone, G., Johnson, I. (2005). Environmental physiology of animals. 2^nd Edition. Oxford: Blackwell.

Фигура 9: http://images.fineartamerica.com/images-medium-large/an-arctic-fox-curls-up-in-the-snow-norbert-rosing.jpg

Фигура 10: http://korhanozkan.org/wordpress/wp-content/uploads/2012/07/PagophilusGroenlandicus_greenland_082011_IMG_3833.jpg

Фигура 11: http://cimg.likes.com/img/28e8433c28056d943ecb2158f37812f8

Фигура 12: http://copperalliance.org.uk/images/librariesprovider5/education-images/il-heat-exchange.png?sfvrsn=0

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!