Теплокровные и холоднокровные животные: в чем разница?
Организмы подразделяются на две большие категории: теплокровные животные и холоднокровные животные, основанные на их способности регулировать температуру своего тела по отношению к температуре окружающей среды. Теплокровные животные - это в основном млекопитающие и птицы, поскольку они поддерживают относительно постоянную температуру тела. У большинства птиц средняя температура тела составляет 105 градусов по Фаренгейту, в то время как температура тела у большинства млекопитающих колеблется от 97 градусов по Фаренгейту до 103 градусов по Фаренгейту. У людей средняя температура тела составляет 98,6 градусов по Фаренгейту, хотя температура может варьироваться у разных особей. С другой стороны, холоднокровные животные не способны поддерживать постоянную температуру тела. Они полагаются в основном на внешнюю среду для получения тепла, что означает, что температура их тела колеблется в зависимости от внешних температур. Например, если температура окружающей среды составляет 45 градусов по Фаренгейту, температура их тела будет постепенно падать до 45 градусов по Фаренгейту, а когда внешняя температура повысится до 90 градусов по Фаренгейту, температура их тела также будет постепенно повышаться до 90 градусов по Фаренгейту.
Работа с теплом и температурой
Животным приходится иметь дело с различными проявлениями природы. Их телам приходится бороться с температурой (случайное движение внутри объекта) и теплом (передача энергии другому объекту). Помимо внешнего воздействия, температура тела также зависит от количества тепла, которое оно может произвести в результате метаболизма, который представляет собой сумму всех химических реакций в организме. Например, человеческая клетка использует около 25% энергии, выделяющейся после расщепления углеводов, белков и жиров. Остальные 75% выделяются в виде тепла внутри организма. Помимо обмена веществ, на температуру тела также влияет количество тепла, которое оно теряет или получает от окружающей среды. Например, грение на солнце на тропическом острове приводит к усилению жары, в то время как сидение практически без одежды в тундре приведет к значительной потере тепла.
Теплокровные животные
Большинство млекопитающих и птиц регулируют внутреннюю температуру до уровня, который выше температуры окружающей среды или, в некоторых случаях, ниже внешней температуры. Это достигается за счет клеточного дыхания и выделения тепла через их метаболизм, потоотделение, изменение кровотока в коже, дрожь, одышка и расщепление жира для выделения тепла. С помощью таких механизмов животные могут контролировать внутреннюю температуру своего тела. Поэтому такие организмы также известны как эндотермные (endo означает внутри + therm означает тепло). Их способность поддерживать относительно стабильную температуру тела также означает, что их также можно назвать гомеотермами (homeo означает то же самое + therm означает тепло). Для достижения такого типа терморегуляции требуется повышенная потребность в энергии. Следовательно, такие организмы имеют высокую скорость метаболизма в состоянии покоя, которая называется тахиметаболизмом (тахи означает быстрый + метабол означает изменение). В целом, млекопитающие и птицы, которые являются эндотермами и гомеотермами и обладают тахиметаболизмом, называются теплокровными животными.
Регуляция тепла у человека
Люди теплокровны, и гипоталамус устанавливает внутреннюю температуру нашего тела в диапазоне от 97 градусов по Фаренгейту до 99 градусов по Фаренгейту. Как и у других теплокровных животных, организм человека должен контролировать внутреннюю температуру тела, чтобы она не оказывала отрицательного влияния на функционирование ферментов и целостность клеточных структур. Функция щитовидной железы также способствует повышению температуры тела, устанавливая BMR (базальную скорость метаболизма), которая представляет собой количество тепла, выделяемого организмом в состоянии покоя. Гипоталамус получает информацию от центральных терморецепторов и поддерживает температуру на заданном уровне. Это делается путем вызова различных непроизвольных действий, таких как потливость и дрожь. Температуру тела также можно контролировать с помощью добровольных действий, таких как сбрасывание или надевание большего количества одежды.
Хладнокровные животные
Большинство рептилий, амфибий, рыб и насекомых не способны поддерживать внутреннюю температуру своего тела. Таким образом, они зависят от температуры окружающей среды. Поэтому такие организмы известны как эктотермы (ecto означает "снаружи" + therm означает "тепло"). Их температура ядра также значительно варьируется, что означает, что они являются пойкилотермами (пойкило, что означает измененный + терм, что означает тепло). В силу своей природы таким животным не требуется выделять столько тепла, сколько теплокровным животным. У этих животных, как правило, более низкая скорость метаболизма в состоянии покоя, которая также известна как брадиметаболизм (Брэди означает медленный + метабол означает изменяться). В целом, рептилии, рыбы, амфибии и насекомые, которые являются эктотермами и пойкилотермами и обладают брадиметаболизмом, известны как хладнокровные животные.
Преимущества и недостатки
Существуют различные недостатки и преимущества, связанные как с теплокровными, так и с холоднокровными организмами. Например, эффективность клеточных химических реакций зависит от внутренней температуры организма. По этой причине теплокровные животные, как правило, способны лучше защищаться и быстрее добывать пищу в районах с более широкими температурными диапазонами по сравнению с холоднокровными животными. Теплокровные животные также могут поддерживать сложные энергозависимые органы, такие как мозг млекопитающих. Недостатком является то, что теплокровные организмы вынуждены использовать большое количество энергии, получаемой из пищи, для получения тепла. Таким образом, теплокровные животные потребляют относительно большое количество пищи (обычно в пять-десять раз больше), чем холоднокровные животные. В этом отношении теплокровные животные сравнимы с газоемкими и энергоэффективными автомобилями из-за большого количества энергии, которое им требуется для поддержания температуры тела, чтобы обеспечить оптимальную работу органов. Хладнокровных животных можно сравнить с энергоэффективными и экологичными автомобилями, которые в большей степени соответствуют окружающей среде, поскольку им требуется меньше энергии для поддержания оптимальной работы своих органов.
Использование терминов "теплокровный" и "хладнокровный"
Утверждалось, что термины “теплокровный” и “хладнокровный" являются вводящими в заблуждение ярлыками. Биологи используют другие контрастирующие термины, такие как гомеотерма и пойкилотерма или эндотерма и эктотерма, описывая тепловую физиологию организмов. Характеристики организмов, отнесенных к различным признакам, как правило, коррелируют. Например, большинство эктотерм являются пойкилотермами, а большинство эндотермов - гомеотермами. Однако есть и исключения. Пустынные ящерицы являются эктотермными, что означает, что они получают тепло от солнечного света, но также считаются поведенческими гомеотермами. Они поддерживают почти постоянную температуру активности, нежась по утрам, чтобы довести температуру своего тела до уровня активности. В полдень они ищут тень, чтобы избежать перегрева. Поэтому их можно назвать гомеотермическими эктотермами в течение дня. В то время как ночью они являются пойкилотермическими эктотермами.
Колибри классифицируются как эндотермные. Чтобы сохранить энергию ночью, колибри впадают в спячку и позволяют своей внутренней температуре падать. Таким образом, их можно классифицировать по пойкилотермическим эндотермам ночью, в то время как днем они являются гомеотермическими. Термин "хладнокровные" особенно вводит в заблуждение, поскольку, хотя такие насекомые, как бабочки и пчелы, являются пойкилотермами, они могут выделять тепло в своих летательных мышцах. Например, летающая беспилотная медоносная пчела имеет температуру тела более 1300F, что значительно выше средней температуры человеческого тела 98.60F. У пустынных ящериц дневная температура тела выше, чем у млекопитающих, живущих в той же среде. Таким образом, было бы неуместно называть такие организмы хладнокровными, если мы хотим рассмотреть строгую интерпретацию этого термина.
Эволюция теплокровных и холоднокровных животных
На протяжении многих лет ученые выдвигали различные теории, пытающиеся объяснить, почему у эндотермов развилась относительно высокая и стабильная температура тела. Они включают в себя необходимость содействия физиологическим процессам, необходимость для животных поддерживать активность в течение более длительных периодов времени, а также потому, что это позволяет некоторым животным заботиться о преждевременном появлении потомства. Однако такие теории не получили широкой поддержки в научном сообществе. Хотя в различных теориях есть доля правды, некоторые эксперты утверждают, что вероятной причиной было что-то, что значительно повлияло на их шансы на выживание и размножение. В противном случае признаки эндотермии были бы слишком дорогостоящими в качестве стратегии и, следовательно, не пользовались бы благосклонностью во время естественного отбора. Это утверждение спорно. Более популярная теория предполагает, что патогенные микроорганизмы, возможно, способствовали эволюции теплокровных животных. Ученые, поддерживающие эту гипотезу, полагают, что способность поддерживать высокую температуру внутри организма позволила бы животным быстрее реагировать на проникновение патогенов, вызывая лихорадку, по сравнению с хладнокровными животными. Хладнокровные организмы должны были бы полагаться на внешние источники тепла для получения температуры, подобной лихорадке. Это означает, что хладнокровным животным пришлось бы искать идеальный микроклимат, чтобы вызвать лихорадку; они также испытывали бы трудности при спаривании и добыче пищи и подвергались бы воздействию хищников. Эта теория возникла в результате недавних открытий в таких областях, как физиология животных и иммунология. Ученые, однако, сходятся во мнении, что для подтверждения гипотезы необходимо провести тщательные тесты, эксперименты и сбор данных. Например, теория также предполагает, что виды, которые поддерживают наиболее стабильную и самую теплую температуру, также должны испытывать более высокую частоту вирулентных патогенов или вспышек болезней. Это еще предстоит подтвердить.
Критика теорий эволюции теплокровных животных
В то время как научные теории предполагают, что теплокровные животные произошли от холоднокровных животных, мало что было сказано об эволюционном развитии и о том, как выглядели бы жизнеспособные переходы между ними. Некоторые эксперты считают, что, учитывая, что требуется для выживания в рамках законов природы, теории, предложенные эволюционными биологами, слишком упрощены.
