при какой температуре возможно существование жизни
При какой температуре жизнь перестает развиваться?
Ученые в очередной раз прошли барьер самой низкой температуры, при которой может развиваться и существовать жизнь. Исследование, опубликованное в PLoS One, показывает, что при температуре ниже 20 градусов Цельсия одноклеточные организмы обезвоживаются и входят в стеклообразное состояние, в течение которого не могут завершить свой жизненный цикл.
Исследователи предположили, что поскольку организмы не могут размножаться при температуре ниже этой, ее можно обозначить как нижний предел температуры для жизни на Земле.
Ученые помещали одноклеточные организмы в водную среду и понижали температуру. По мере того, как она падала, среда превращалась в лед, а вода внутри организмов также кристаллизовалась. Вследствие этого клетки сначала обезвоживались, а после застывали. Как только клетка станет стеклообразной, ученые могут констатировать факт того, что она не способна к воспроизводству, однако ее можно вернуть к жизни, когда температура поднимется снова. Эта фаза стеклования сходна с тем состоянием, в которое входят семена растений по мере высыхания.
«Самое интересное в стекловании то, что в целом клетка выживает там, где в принципе невозможно выживание: если вы замерзнете внутренне, вы умрете. Но если вы можете контролировать собственную кристаллизацию, вы выживете», — отмечает профессор Эндрю Кларк, ведущий автор исследования. — «Как только клетка принимает стекловидную форму, она может продолжать жить вплоть до самых низких температур. Просто она многое не может сделать, пока не нагреется».
Более сложные организмы способны выживать при низких температурах потому, что способны контролировать среду клеток в той или иной степени.
Если свободно живущая клетка остынет слишком быстро и не успеет принять стекловидную формацию, она не выживет.
В какой-то мере это объясняет, как работает глубокое замораживание пищи. Большинство морозильников работает при температуре около 20°C. При такой температуре плесень и бактерии не могут размножаться и портить пищу.
Как нам может помочь эта информация? Да как угодно: от изучения отдаленных уголков нашей собственной планеты до поиска жизни на Марсе.
При какой температуре возможно существование жизни
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГРАНИЦЫ ЖИЗНИ
Николай Дмитриевич Озернюк, доктор биологических наук, заместитель директора,
заведующий лабораторией биофизики развития
Института биологии развития им. Н.К.Кольцова РАН.
Биоразнообразие и распространение видов
Разные организмы отличаются устойчивостью к перепадам температур. Большинство видов (эвритермные) легко переносят такие колебания. Они заселяют территории с большим диапазоном суточных и сезонных температурных колебаний. Другие виды (стенотермные) способны существовать лишь в узком диапазоне. К ним относятся обитатели влажных тропических лесов, морских глубин, пещер, а также жители высоких широт, где температура среды почти не меняется.
Механизмы температурных адаптаций
Какие механизмы лежат в основе приспособлений организма или отдельных его систем к неблагоприятным температурам? На молекулярном уровне они связаны с важнейшими внутриклеточными структурами и процессами. Речь идет об устойчивости белков и нуклеиновых кислот к экстремальным температурам, поддержании определенного агрегатного состояния биологических мембран, в первую очередь мембранных липидов, накоплении специфических соединений, предотвращающих образование кристаллов льда в клетках при отрицательных температурах, и др. [2, 3].
В ходе эволюции наиболее серьезная защита возникла от холода, поскольку даже небольшие отрицательные температуры могут губительно сказаться на организме теплокровных. Основные механизмы адаптации обусловлены действием биологических антифризов, поддержанием определенного агрегатного состояния мембранных липидов, а также мутациями, приводящими к аминокислотным заменам, которые обеспечивают необходимую гибкость белков.
Температурные границы жизни
Вернемся к примерам предельной устойчивости организмов к низким температурам среды. Так, феноменальной приспособленностью отличаются личинки золотарниковой пестрокрылки Eurosta solidaginis, зимующие в галлах на стеблях золотарника [4]. Располагаются они выше снежного покрова, а зимняя температура в местах их обитания –40° или даже –50°С. Насекомые в это время находятся в состоянии диапаузы, когда уровень обмена веществ, в том числе энергетический, резко снижен. До наступления холодов в теле личинок интенсивно синтезируется глицерин и сорбит, комбинированное действие которых и позволяет им перезимовать. Как уже отмечалось, глицерин заменяет воду, которая в больших количествах выводится из организма, а сорбит защищает ткани личинки по коллигативному механизму.
Изменение содержания различных веществ в теле личинок насекомых при различных температурах адаптации в течение нескольких недель в лабораторных условиях
При сезонных или более кратковременных (несколько недель) колебаниях температуры адаптационные механизмы имеют фенотипическую природу, они формируются на протяжении одного поколения, обратимы и “не записаны” в геноме. В этих случаях холоднокровные животные вынуждены приспосабливать свой метаболизм к новому температурному режиму.
Температурная зависимость константы Михаэлиса ( К М ) для лактатдегидрогеназы из мышц вьюнов, адаптированных к 5°С и к 18°С. Различное положение минимумов К М (справа) исчезает после воздействия 3 М раствора мочевины.
Как можно объяснить такие необычные результаты? Вероятно, в мышцах рыб при низких и высоких температурах синтезируются формы лактатдегидрогеназы с несколько отличной пространственной структурой, поскольку их сборка происходит в разных условиях [9]. Речь может идти, в частности, о разном количестве водородных связей в двух формах фермента. Такое предположение подтверждают не только наши эксперименты, но и данные П.Л. Привалова, согласно которым при разных температурах (в их физиологическом диапазоне) количество водородных связей в белках отличается. Однако показать экспериментально наличие столь малых конформационных различий двух форм фермента пока крайне трудно.
Параллельно в нашей лаборатории продолжалась работа по анализу структуры генов лактатдегидрогеназы из мышц рыб, адаптированных к низкой и высокой температурам. Первоначально полагали, что их структура идентична. Однако при более детальном изучении выявились определенные различия в регуляторной части мРНК одной из форм фермента [10]. Возможно, что именно они и ответственны за сборку фермента.
Таким образом, изучение молекулярной природы фенотипических температурных адаптаций открывает новые механизмы и ставит новые вопросы. Это не удивительно, поскольку эффективные приспособления к различным природным факторам всегда носят комплексный характер и в их формировании участвуют различные внутриклеточные регуляторные механизмы.
2. Александров В.Я. Реактивность клеток и белки. Л., 1985.
3. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М., 1988.
8. Озернюк Н.Д. Температурные адаптации. М., 2000.
Границы температуры для живых существ
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.
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 открывает 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.
Температура и ее роль в жизни организмов
2. Факторы среды обитания
3. Закономерности экологических факторов
5. Температурные адаптации
5.1 Температурные адаптации у растений
5.2 Температурные адаптации животных
6. Основные пути температурных адаптаций
Список используемой литературы
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.
В моем реферате мы рассмотрим, что же такое среда обитания и какую роль играет температура в жизни организмов.
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.
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
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.
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.
Движение воздуха, м/с
Ощущения организмов одинаковы при разной комбинации трех факторов.
Согласно теории Ч.Дарвина все организмы изменчивы и способны к адаптации.
4. Температура
абиотический температура адаптация животный
5. Температурные адаптации
.1 Температурные адаптации у растений
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.
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:
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.
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.
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
Температурные пределы жизни
Известно, что как животная, так и растительная жизнь не выносят ни слишком большого холода, ни слишком большого жара.
Но эти пределы температуры, при которых возможна жизнь, в действительности гораздо более широки, нежели об этом принято думать в общежитии. Известно, что протоплазма клеток погибает при температуре от 49 до 50° Ц. тепла. Если же погибает протоплазма, то, конечно, умирает и само животное, в котором находится эта протоплазма. Теплокровные животные, в особенности млекопитающие, обладают разными способами регулировать температуру своего тела. На воздухе может быть и гораздо больше 50°, но температура тела животного остается прежней. Благодаря деятельности потовых железок человек может выносить в сухом воздухе температуру кипения воды. У холоднокровных животных температура тела меняется в зависимости от температуры среды. Если на воздухе или в воде становится холоднее, то и температура тела этих животных понижается. На морозе их тело промерзает, и они впадают в оцепенелое состояние, а в таком состоянии жизнь сохраняется у них при трескучих морозах. Лягушку можно заморозить до того, что ноги ее будут ломаться, как палки; между мышцами и под кожей у нее появятся прослойки льду. Но если ее медленно отогреть, она оживает. Способность выносить морозы зависит от количества воды, содержащейся в теле животного. Насекомых убивает даже легкий мороз, но яйца их, содержащие очень незначительное количество воды, благополучно выносят трескучие морозы. Яйца шелковичного червя перенесли искусственно полученную температуру в —40° Ц. То же самое мы видим и у растений. Сами растения, содержащие большое количество воды, очень чувствительны к холоду; но семена овса не потеряли своей всхожести после того, как их подвергли действию искусственно полученной температуры в —200° Ц. Низшие животные, с телом, даже содержащим много воды, выносят очень низкие температуры. Пикте замораживал улиток при температуре в —150° Ц, и потом, когда он отогрел их, они оказались живыми. Погибла только одна, у которой была трещина в ракушке. Содержание воды оказывает влияние и на способность выносить высокие температуры. Обыкновенный белок свертывается при температуре в 53—55° тепла, а белок обезвоженный свертывается только при 160—170°. В связи с этим находится тот факт, что семена овса, будучи нагреты до температуры в +120° Ц., не теряют своей всхожести.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.