Лекция 4_Температурата-1 PDF

Температурата като екологичен фактор Значение Пойкило- и хомотермни, екто- и ендотермни организми Механизми на терморегулация и адаптации гл. ас. Калина Пачеджиева Катедра Екология и ООС Абиотичните фактори и организмите...

Температурата като екологичен фактор Значение Пойкило- и хомотермни, екто- и ендотермни организми Механизми на терморегулация и адаптации гл. ас. Калина Пачеджиева Катедра Екология и ООС Абиотичните фактори и организмите Физични/химични характеристики на фактора, източници Екологично значение и влияние върху организмите Изучаването на основните процеси на обмяната на веществата (ОВ) е предмет на физиологията. Поддържането на устойчива ОВ в колебаещи се условия на външната среда е невъзможно без специални адаптации Адаптации на организмите към комплекса от фактори на средата и техните колебания – предмет на екологията Морфологични – структурни особености или промени Физиологични – специфични форми на функционални отговори на външни въздействия Поведенчески (етологични) – при висшите животни с участие на висшата нервна дейност В екологията е важен крайният резултат, а не механизмите на физиологичните процеси в организмите при въздействието на външни фактори. Физиологичните показатели служат като критерии на реакциите на организмте към промените на външната среда  Какво представлява температурата Температурата е мярка за средната Dryas sp. кинетична енергия (енергия на Цветовете на растението движение) на молекулите в масата на «гледат» слънцето в продължение на дни дадено вещество, топлина Параболична форма Температурните условия са едни от на венчелистчетата 25°C най-важните фактори, които влияят на интензивността на обменните процеси 15°C Организмите са развили разнообразни механизми за регулиране на температурата на телата си или отделни части от тяхната анатомия Значение на температурата Влияе върху всички химични реакции, включително онези, които контролират съществени жизнени процеси, като фотосинтезата и дишането Всички организми са добре приспособени към относително тесни температурни диапазони Въздействието на екстремните температури може да варира от дискомфорт (при минимални ст-ти) до изчезване на видове Дългосрочните промени в температурата са повлияли установяването на цели флори и фауни на континентите, при което някои видове процъфтявали, други се запазвали в ограничени рефугиални убещища, трети изчезвали Динамичната екологична история на Земята става все по-значима, тъй като сме изправени пред реалността на бързото повишаване на глобалните температури и тяхното потенциално екологично въздействие  Изменение на температурата в различните среди и географски ширини Температурата в биосферата се изменя от +50 до - 50°C Температурни градиенти – влияние на географската ширина, достъпността на море, ветрове, релеф и др. Градиент в различните местообитания и среди Почва – малки разлики Малки колебания в океанска среда Разнообразни условия в континенталните водоеми Температурите се променят повече в северното полукълбо, където влиянието на водните маси е по-слабо  Макроклимат и микроклимат гр. Гоце Делчев вр. Ботев Макроклимат - преобладаващия режим на времето в определен район, характерен за дълъг период от време; може да се изобрази чрез климатична диаграма, и Mикроклимат - изразява варирането в климата в мащаб от няколко km, m или cm, обикновено измервани в рамките на кратки периоди от време. Влияе се от: надморска височина изложение растителност цвят на земната повърхност и каменистост  Топлинен баланс на организмите Метаболизъм H m Излъчване Hr Излъчване Hr Топлообменът на тялото зависи от различни фактори; баланс между два Изпарение He противоположни процеса: приток на топлина чрез топлопроводимост Конвекция Hc и радиация, ендогенна топлина, и отдаване на топлина чрез топлопроводимост и радиация, изпарение Уравнение на K. Schmidt-Nielsen Вятър (1983) Hs = Hm ± Hcd ± Hcv ± Hr − He Топлопроводимост Hcd  Общи принципи свързани с влиянието на темературата в/у организмите Бореалният мъх Пустинният храст фотосинтезира с фотосинтезира с Повечето организми живеят и се максимална скорост максимална скорост развиват добре в сравнително тесен при 15°C при 44°C температурен диапазон – значение на ензимните системи, форма на еволюционно закрепени физиологични адаптации Температурата ограничава разпределението на организмите, Artiplex lentiformis например разпределението на сагуаровите кактуси е ограничено до районите, в които отрицателните температури са с продължителност под 36 часа Pleurozium schreberi Аклиматизация (за разлика от адаптацията) – краткосрочни физиологични промени  Регулиране на телесна температура – екологични групи организми Пойкилотермни (poikilos – изменчив, променлив) – телесната температура е неустойчива и се изменя в широки граници в зависимост от температурата на околната среда; всички таксони живи организми с изкл. на бозайниците и птиците. Хомотермни (homoios – еднакъв, подобен) – използват метаболитна енергия, за да поддържат постоянна телесна температура. Такива са бозайниците, птиците и един вид дълбоководна риба от моретата рибата-луна Lampris guttatus. Хетеротермни – поддържат висока и постоянна телесна температура в активно състояние, но хибернират през неблагоприятните месеци от годината Ектотерми – организми, които използват външни източници на енергия, за да поддържат телесната си температура. Повечето пойкилотермни организми, които използват различни комбинации от анатомични и поведенчески адаптации, за да манипулират Hc, Hr и He. Ендотерми – организми, които разчитат в голяма степен на вътрешни източници на топлинна енергия от метаболизма Hm. Сред тях птиците и бозайниците използват енергия от метаболизма, за да затоплят целите си тела. Други ендотерми, някои насекоми и риби използват метаболитна енергия, за да затоплят избирателно критични/ключови органи.  Примери Hs = Hm ± Hcd ± Hcv ± Hr − He Пустинни растения – адаптации към горещ климат Разположение на листата високо над земната повърхност, за да се намали затоплянето от проводимостта от нагрятата земна повърхност; Малки листа и „отворен“ хабитус, за да се увеличи по този начин охлаждането чрез конвекция Hc (тъй като увеличават отношението на листната повърхност към обема, а по този начин и движението на въздуха около стъблото и листата); Обилно/плътно овласиняване, бели власинки – намаляват затоплянето от Hr като отразяват видимата светлина Промяна в ориентацията на листата и стъблото спрямо слънцето, успоредно на слънчевите лъчи, за да не се нагряват през деня  Примери Арктически и алпийски растения – адаптации към студен климат Eстественият отбор тук е селектирал растения, t на растението е с 10° по- които абсорбират светлина чрез наличието на висока от тази на въздуха тъмни пигменти, така увеличават Hr; Ориентират листата и цветовете си перпендикулярно (не успоредно) на слънчевите лъчи, за да увеличат Hr; Образуване на полусферични „възглавнички“, които „прегръщат“ земята, също увеличават Hr и намаляват Hcv – близо до земята те са подслонени от вятъра  Пойкилотермни животни. Адаптации и регулиране на температурата Риби, земноводни, влечуги и безгръбначни животни – повечето са ектотерми. Развиват разнообразни морфологични, физиологични и поведенчески адаптации Развиване на по-тъмна пигментация при ниски температури (при скакалци) Различна ориентация на тялото в зависимост от температурата – перпендикулярна спрямо слънчевите лъчи сутрин Натрупване на „биологически антифризи“ – играят роля и по време на аклиматизация (и при растенията) Дехидратация – широко разпространен сред много таксони  Пойкилотермни животни. Адаптации и регулиране на температурата Python morulus eggs clutch Много видове използват топлина, която се образува при работата на мускулно-скелетната система (ендогенна топлина) за създаване на временна независимост на температурата на тялото – при насекоми и риби (ендотермни) Използване на топлината на мускулатурата при много змии за затопляне на яйцата За много насекоми е характерна обществена регулация на температурата в колонията (пчели) - по пътя на трептенето на „Разперена“ поза на крилата на пчелите в кошера (хомо- или пойкилотермни ??) Amblyrhynchus cristatus от Като охлаждащ механизъм – изпарението на влага (чрез Галапагоските острови устицата при растенията и дихателните органи при животните) Адаптивно поведение: прости положителни или отрицателни термотропизми при низшите животни активен избор на мястото, преместване или смяна на позата Хомотермни животни При дребните бозайници потреблението на кислород при темп 15-20°C градуса е около 4000-5000 куб. см/кг/час, Птици и бозайници а при безгръбначните при същата t – около 10-20 куб. см/кг/час Хомотермният тип топлообмен се базира на високо ниво и интензивност на метаболизма, свойствен за птиците и бозайниците Ендотермия отделена метаболитна Температура на тялото – различна; адаптивна хипертермия при горещ климат топлина телесна температура °C Регулиране на температурата при хомотермните животни Температура на тялото Термонеутрална Термонеутрална зона – зона установена при изледване на терморегулацията при бозайници: Топлопродукция за всеки вид е характерен диапазон от температури, в които метаболизмът не се променя Температура на средата „Тропически“ и „арктически“ видове Тропическите видове поддържат постоянна скорост на метаболизма при тесен температурен диапазон Арктическите видове поддържат постоянна скорост на метаболизма при голям температурен диапазон Термонеутрална зона – диапазонът от температури, в които метаболизмът не се променя Две големи групи бозайници в зависимост от ширината на термонеутралната зона: арктически и тропически  Механизми на терморегулация при хомотермните животни Две функционални групи механизми: Химична терморегулация – произведената топлина в организма в резултат на окислителните реакции или метаболитните процеси в организма Физична терморегулация – обединява комплекс от Certhia americana морфофизилогични механизми, свързани с регулацията на топлоотдаването на организма: Топлоизолационни структури (косми и пера) и подкожна мазнина - по правило са по-плътни и големи при животните в местообитания с устойчиви ниски температури. !Не обуславят хомотермията, а само Perdix perdix я подпомагат Сложни форми на приспособително поведение (етологична терморегулация) - използването на особеностите на микроклимата; образуване на малки струпвания; използване на топлоизолиращите свойства на снежната покривка И др. Термогенни растения – изключение или закономерност? Symplocarpus foetidus (Araceaea) обитава широколистни гори в източните части на Северна Америка. То цъфти рано напролет, през февруари – март, когато температурата на въздуха все още е отрицателна през голяма част от дните. Опити показали, че независимо от тези сурови условия, температурата в кочана (съцветието) на растението е между 25 и 35 °C, така че то „стопява“ пътя си през снега по време на цъфтежа Линкове и използвани източници Manuel C. Molles Jr., Anna Sher. 2019. Ecology. Concepts and applications (Temperature relations). McGraw-Hill Education, New York https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/17/Greenland_score sby-sydkapp2_hg.jpg https://temperate.theferns.info/image/Atriplex+lentiformis