Влияние температуры на скорость биологических процессов.

Жизнь биологических объектов может существовать в пределах интервала температур от 173 до 373 К. Для биологических процессов большое значение име­ет не только известный уровень температуры, но и вполне определенный темпера­турный интервал. Если бы, например, в силу каких-либо причин средняя годовая температура на Земле неожиданно повысилась или понизилась всего лишь на 10 К, основные формы жизни на ней погибли бы. Температурные границы актив­ной жизнедеятельности большинства живых организмов еще более узки (пример­но от 274 до 318 К). И лишь немногие организмы могут длительно существовать при более высоких или низких температурах. Так, на Аляске водится насекомое «каменная муха» («веснянка»), которая вполне нормально развивается при 273 К. Треска проявляет максимум биологической активности при температуре морской воды ниже 273 К. Есть также целая группа живых существ — светящие­ся бактерии, споры мха, семена некоторых злаков,— оживающих даже после пре­бывания при температуре жидкого гелия (4 К).

Скорость химических процессов обычно увеличивается с ростом температуры, и это увеличение практически ничем не лимитируется, в то время как биологиче­ские процессы имеют температурные границы, за которыми наступает резкое уменьшение их скорости и даже полное прекращение — смерть.

В известной степени тепло повышает жизнедеятельность и ускоряет жизнен­ные процессы, благотворно влияя на рост и размножение организмов. Но если температура превысит определенный предел, эти процессы быстро подавляются.

Рис. 2.4

Зависимость энергии дыхания Рис. 2.5

Активность фермента

зерна пшеницы от температуры трипсина различных животных

в зависимости от температуры

1 – влажность зерна 14%,

2 – 16 %,

3–18%, 1–собака, 2–окунь, 3–треска

4 – 22%

На биологической кривой можно установить три характерные точки: минималь­ная температура (около 273 К), оптимальная и максимальная. В интервале от ми­нимума до максимума температур интенсивность биологического процесса растет, и здесь наблюдается подчинение правилу Вант-Гоффа. При дальнейшем повыше­нии температуры организм погибает. Это положение хорошо иллюстрируется рис. 2.4, где показана зависимость энергии дыхания зерна пшеницы от темпера­туры.

Температура тела у большинства организмов колеблется в пределах 308— 313 К. Однако и здесь имеются отступления. Так, температура тела некоторых певчих птиц равна 318 К. Один вид холоднокровных, но «теплостойких» рыб пре­красно себя чувствует в горячих источниках острова Цейлон при температуре око­ло 323 К. Самые «жаростойкие» организмы можно найти в мире бактерий и рас­тений. Как известно, некоторые бактерии выживают при температуре 343 К и вы­ше; убить их удается только при длительном кипячении. В качестве примера мож­но назвать водоросль хлореллу, которая выдерживает 358 К. Она водится в горя­чих источниках Иелоустонского заповедника в США. Есть бактерии, способные вести нормальную жизнь при температурах выше 373 К.

Основными причинами гибели организмов под влиянием высоких температур является распад белков протоплазмы, а также образование токсичных промежу­точных и конечных продуктов этого распада. При распаде белков нарушается суб­микроскопическая структура протопласта и соответственно координация происхо­дящих в различных частях протопласта физико-биологических процессов, которые регулируются целой системой, сопряженно действующих ферментов. Помимо рас­пада белков при повышенных температурах происходит и инактивация фермен­тов, которая также гибельна для организмов.

В самом деле, если проследить зависимость активности любого фермента от температуры, то можно заметить ту же закономерность, что и на рис. 2.4, т. е. те же характерные температурные точки: минимум, оптимум и максимум. В качестве примера на рис. 2.5 приведены кривые активности фермента трипсина у различ­ных животных. Аналогичную картину дают и другие ферменты. Поскольку в ос­нове жизненных процессов лежит целый ряд последовательных органически свя­занных друг с другом биохимических реакций, регулируемых большим числом раз­личных ферментов, то достаточно вывести из строя хотя бы один из этих фер­ментов (или даже нарушить гармоничность их действия), как наступает дезинте­грация жизненных процессов и, как результат, гибель организма. Именно этим и объясняется тот факт, что некоторые организмы имеют температурный минимум, который лежит значительно ниже температуры свертывания белка.

У человека и гомойотермных* животных температура тела поддерживается специальными механизмами терморегуляции. Известны физиологические колеба­ния температуры тела в течение суток — суточные ритмы. Так, разница между утренней и вечерней температурой тела у человека достигает 0,5—1,0 К. Темпера­турные различия между внутренними органами достигают нескольких десятых градуса. Разница между температурой внутренних органов, мышц и кожи может составлять до 5—10 К, что затрудняет определение средней температуры тела, необходимой для определения термического состояния организма в целом. У пойкилотермных ** животных температура тела мало отличается от температуры окружающей среды, и только при интенсивной мышечной деятельности у некото­рых видов она может превышать температуру среды.