Контрольная работа на тему:
«Физика низких температур. Влияние низких температур на живые организмы и неживую материю»
Введение
История физики низких температур
Методы получения низких температур
Измерение низких температур
Значение и применение исследований физики низких температур
Влияние низких температур на живой организм и неживую материю
Заключение
Литература
Введение
Физика низких температур - раздел физики, занимающийся изучением физических свойств систем, находящихся при низких температурах. В частности, этот раздел рассматривает такие явления, как сверхпроводимость <#"justify">Температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. Когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина.
Обыватели привыкли к тому, что температура измеряется в градусах Цельсия. Согласно Международной системе единиц температура измеряется в Кельвинах. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда 273,15 К, соответствующая 0°С шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах (Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) соотношением:
Т = 273,15 K + t.
Так, температура кипения жидкого кислорода по шкале Цельсия составляет -183°С (минус сто восемьдесят три градуса Цельсия), а по шкале Кельвина 90К (девяносто Кельвин), температура кипения жидкого азота -196°С или 77К, температура кипения жидкого водорода -253°С или 20К. Абсолютному нулю 0К, по шкале Цельсия соответствует температура минус 273°С. Ниже этой температуры не бывает во всей вселенной.
Техника, с помощью которой получают столь низкие температуры, называется криогенной техникой. «Крио» в переводе на русский язык означает «холод», а «гениум» - «рождение», таким образом, криогенная техника - это техника порождающая, или вырабатывающая холод.
История физики низких температур
В 1908 году в Лейденской лаборатории голландскому ученому Камерлингу-Оннесу впервые в мире удалось получить сжиженный гелий - самый трудно-сжижаемый газ. А в 1911 году он же начал изучать физические свойства чистых металлов при низких температурах.
В те годы самыми чистыми металлами были самородное червонное золото и ртуть, которую умели получать несколькими способами. Используя полученные технические возможности, связанные со сжижением гелия, Камерлинг-Оннес внимательно изучал изменение электрического сопротивления этих двух суперчистых металлов с понижением температуры. И оказалось, что ведут они себя совершенно по-разному. Красивое, очень чистое самородное золото понижает свое сопротивление с понижением температуры, но оно остается конечным, сколь бы низкой ни была температура.
Вот таким образом Камерлинг-Оннес совершил величайшее открытие. Он обнаружил явление сверхпроводимости металлов. Теоретически это явление обосновано спустя полвека советским ученым Н.Н. Боголюбовым и, независимо от него, американскими учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером и Л. Купером. Этим ученым принадлежит приоритет в разработке теории сверхпроводимости металлов.
Со времени открытия явления сверхпроводимости до начала 40-х годов 20 века область физики низких температур развивалась довольно медленно. Во всем мире в области криогеники работало не более 500-600 человек. Область была трудной, дорогой потому, что само вещество, с помощью которого получали низкие температуры, было дорогим.
Располагая уникальными возможностями проведения исследований вблизи абсолютного нуля, ученые пытались изучить все, что только было можно. Они исследовали металлы, диэлектрики, живую материю, живые существа. Это были годы, когда пытались выяснить даже вопрос о том, влияют ли низкие температуры на период полураспада радиоактивных элементов.
В этот период было открыто, что жидкий гелий обладает теплопроводностью, которая конкурирует с теплопроводностью самых лучших металлов. Жидкий гелий - вещество, которое сжижается и остается жидким при самой низкой температуре, вплоть до абсолютного нуля, затвердевает только в том случае, если его поместить в сосуд и поднять там давление до 25 атмосфер.
При исследовании свойств жидкого гелия П.Л. Капица обнаружил, что эта удивительная жидкость обладает не только сверхтеплопроводностью, но и обладает еще одним уникальным свойством, свойством сверхтекучести, свойством, которое характеризуется тем, что эта жидкость может протекать сквозь самые тончайшие капилляры и поры без всякой вязкости, без всякого сопротивления.
В годы Великой Отечественной войны обострился интерес к криогенике. Это было вызвано созданием нового вида оружия, новой военной техники, которая представляет собой ракетную технику.
В послевоенные годы бурное развитие металлургической и химической промышленности (например, кислородное дутье в мартеновских печах, выработка аммиака, мочевины и др. продуктов) потребовало колоссального количества кислорода и азота. Получать эти газы с помощью обычных химических реакций можно, но только в пробирке. А обеспечение азотом и кислородом заводов и фабрик в промышленных масштабах можно осуществить только с помощью глубокого охлаждения.
Установки, с помощью которых разделяют воздух на составные элементы - это грандиозные сооружения, работающие продолжительное время по непрерывному циклу.
С разработки, изготовления и запуска таких установок и началось развитие отрасли криогенного машиностроения, что в свою очередь вызвало бурное развитие разных областей науки.
Несмотря на то, что в настоящее время существует развитая теория сверхпроводимости проводников, сверхтеплопроводности и сверхтекучести жидкого гелия, теория осцилляционных явлений, ученые продолжают исследования свойств веществ в экстремальных условиях. Оказывается, когда исследуется вещество в экстремальных, то есть в необычных условиях, то можно многое понять о его поведении в обычных условиях.
Область сверхнизких температур дает в этом смысле неограниченные возможности. По мере освоения передовых технологий производства различных генераторов холода, увеличился интерес к использованию этого холода в различных областях науки и техники. В результате этого в мире сложилась такая ситуация: кто бы ни был исследователь - физик чистый; физик, работающий в области физики металлов, полупроводников, диэлектриков; химик, занимающийся изучением химических реакций, строения химических веществ; биолог, занимающийся изучением свойств клетки, внеклеточных структур; пищевик, заботящийся о длительном хранении пищевых продуктов; исследователи многих других специальностей сосредотачивают свое внимание на современных достижениях криогеники.
Методы получения низких температур
Испарение жидкостей. Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы <#"justify">Снижая давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки 63 K, откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K.
Испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 К больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру (до 0,3 К) дает сжиженный изотоп гелия 3Не.
Чтобы охладить какой-либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженным газом. Таким образом, основная задача при получении очень низких температур - это сжижение газов. Его можно добиться двумя методами. Дросселирование.
Первый метод - дросселирование, то есть расширение сжатого газа в вентиле. При протекании через сужение проходного канала трубопровода - дроссель, либо через пористую перегородку молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется, происходит понижение давления газа или пара, и газ охлаждается.
Этот метод применяется в простейших установках для ожижения газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа ожижается. У каждого газа есть определенная температурная точка - инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается, а нагревается. Поэтому применять метод дросселирования можно, только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она равна 193 К (-80° С), а у гелия даже 33 К (-240° С). Изменение температуры при малом изменении давления в результате дросселирования определяется производной, называемой коэффициентом Джоуля-Томсона. Расширение с совершением внешней работы.
При другом способе получения холода сжатый газ заставляют не только расширяться, но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию; скорость молекул сильно снижается, и газ интенсивно охлаждается.
Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующих порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух - своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.
Рис. 1 - Воздушный ожижитель Клода 1 - воздушный компрессор; 2 - детандер; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух
Адиабатическое размагничивание.
Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K. Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами.
Эффект Пельтье.
Эффект Пельтье используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда.
Криостат растворения.
В процессе охлаждения используется смесь двух изотопов <#"justify">Измерение низких температур
Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит газовый термометр <#"justify">Значение и применение исследований физики низких температур
Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений - сверхпроводимости и сверхтекучести. Оба эти явления весьма отличаются от свойств, которыми обладают вещества при обычных температурах. При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах подавляются сильным тепловым движением атомов. Новые закономерности, обнаруженные при низких температурах, могут быть последовательно объяснены только на основе квантовой механики. В частности, принцип неопределённости квантовой механики и вытекающее из него существование нулевых колебаний при абсолютном нуле температуры объясняют тот факт, что гелий остаётся в жидком состоянии вплоть до 0. С 60-х гг. 20 в. открыт ряд интересных эффектов, в которых особое значение имеет пространственная когерентность волновых функций на макроскопических расстояниях (сверхпроводящее туннелирование, эффект Джозефсона). Большое значение имеет изучение свойств жидкого 3He, который представляет собой пример нейтральной квантовой ферми-жидкости. Как теперь выяснено, при температурах около 3 мК и давлении около 34 бар 3He претерпевает фазовое превращение, сопровождающееся значительным уменьшением вязкости (переходит в сверхтекучее состояние).
Развитие физики низких температур в значительной степени способствовало созданию квантовой теории твёрдого тела, в частности общей теоретической схемы, согласно которой состояние вещества при низких температурах может рассматриваться как суперпозиция идеально упорядоченного состояния, соответствующего 0 К, и газа элементарных возбуждений - квазичастиц. Введение различных типов квазичастиц (фононы, дырки, магноны и др.) позволяет описать многообразие свойств веществ при низких температурах. Термодинамические свойства газа элементарных возбуждений определяют наблюдаемые макроскопические равновесные свойства вещества. В свою очередь, методы статистической физики позволяют предсказать свойства газа возбуждений из характера связи энергии и импульса квазичастиц (закона дисперсии). Изучение теплоёмкости, теплопроводности и других тепловых и кинетических свойств твёрдых тел при низких температурах даёт возможность установить закон дисперсии для фононов и других квазичастиц. Температурная зависимость намагниченности ферро- и антиферромагнетиков объясняется в рамках закона дисперсии магнонов (спиновых волн). Изучение закона дисперсии электронов в металлах составляет ещё один важный раздел физики низких температур. Ослабление тепловых колебаний решётки при гелиевых температурах и применение чистых веществ позволили выяснить особенности поведения электронов в металлах. Применение низких температур играет большую роль при изучении различных видов магнитного резонанса. Охлаждение до сверхнизких температур применяется в ядерной физике для создания мишеней и источников с поляризованными ядрами при изучении анизотропии рассеяния элементарных частиц. Такие источники позволили, в частности, поставить решающие эксперименты по проблеме несохранения чётности. Низкие температуры применяются при изучении полупроводников, оптических свойств молекулярных кристаллов и во многих других случаях. В химической промышленности низкие температуры используют при производстве синтетического аммиака, красителей, для сжижения и разделения газовых смесей, выделения солей из растворов и т.д. В нефтеперерабатывающей промышленности холод необходим при производстве высокооктановых бензинов, некоторых сортов смазочных масел и др. Искусственное охлаждение применяется и в машиностроении (например, для холодной посадки деталей), строительстве (замораживание грунтов), медицине, при сооружении искусственных катков круглогодичной эксплуатации, для опреснения морской воды и т.д. Низкие температуры используют для получения высокого вакуума методом адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционный насос) или непосредственной конденсации на металлических стенках сосуда с хладоагентом. Высокий вакуум и охлаждение до низких температур позволяют имитировать условия, характерные для космического пространства, и проводить испытания материалов и приборов в этих условиях. Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, осуществляют оперативное лечение мозговых опухолей, урологических и других заболеваний. Имеется также возможность длительного хранения живых тканей при низких температурах. Другое направление технических применений низких температур связано с приложениями сверхпроводимости. Здесь наиболее важную роль играет создание сильных магнитных полей (~ 103 кэ), необходимых для ускорителей заряженных частиц, трековых приборов (пузырьковых камер и др.), магнитогидродинамических генераторов и многообразных лабораторных исследований.
Влияние низких температур на живой организм и неживую материю
температура физика испарение дросселирование Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений. Температура тела человека и высших животных поддерживается на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры внешней среды. Это постоянство температуры носит название изотермии и свойственно только теплокровным животным в отличие от холоднокровных, у которых температура тела переменна и мало отличается от температуры окружающей среды. В условиях целостного организма изменение температуры может влиять на скорость химических реакций как непосредственно, так и косвенным образом. Так, понижение температуры организма, как и в любой неживой системе, замедляет реакции. Но вместе с тем оно может ввести в действие механизмы терморегуляции, ускоряющие реакции. В отличие от реакций, протекающих в неживых системах, большинство биологических процессов имеют температурный оптимум - интервал температур, в котором реакция протекает с максимальной скоростью. Влияние температуры на скорость биологических процессов часто оценивают с помощью температурного коэффициента Вант-Гоффа. Он показывает, во сколько раз ускоряется процесс при повышении температуры на 10° и зависит от природы протекающих реакций. Значение температуры заключается в том, что она изменяет скорость протекания биохимических процессов в клетках, и это отражается на жизнедеятельности организма в целом. По отношению к температуре как к экологическому фактору все организмы подразделяются на две группы: холодолюбивые и теплолюбивые. Холодолюбивые организмы, или криофилы, способны жить в условиях относительно низких температур и не выносят высоких. Так, древесные и кустарниковые породы Якутии не вымерзают при -700С, в Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, ногохвостки, пингвины.
Известно, что холод значительно повреждает клетки. Это ведет к их гибели. Защита клеток от пагубного действия холода обеспечивается особыми добавками и специальными химическими веществами, получившими название криофилактиков. Способность выдержать экстремально низкие температуры у разных видов организмов различна. Так некоторые виды растений, произрастающие в районах с холодным климатом, способны выдержать полное замерзание тканей и понижение температуры окружающего воздуха до -620С (лиственница) и ниже. Но некоторые растения (особенно низшие) и семена не повреждаются иногда даже при температурах, близких к абсолютному нулю (до -2700С).
Повреждение растений холодом сопровождается потерей тургора листьями, изменением окраски из-за разрушения хлорофилла. Основная причина гибели от низких положительных температур заключается в нарушении обмена веществ, т.е. процессы распада начинают преобладать над процессами синтеза, накапливаются ядовитые вещества, нарушается структура цитоплазмы. Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например, мягкая и упругая резина становится при температуре около 200 К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло. Так же ведут себя многие металлы, например, сталь, свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры увеличивает прочность, оставляя им достаточную пластичность. Таковы, например, медь, ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготовляют аппараты, которые используются при низких температурах.
Заключение
Издавна огонь даровал людям тепло, свет и жизнь, а холод нес с собой ужас и смерть. Сотни лет назад люди строили храмы в честь огня, и лишь в середине XX века на Земле появились храмы, воздвигнутые человеком в честь холода. С помощью холода раскрыты такие феномены физики и биологии, которые удивляют, поражают воображение.
В настоящее время большого внимания заслуживает использование технологии криоконсервирования генетического материала (в животноводстве), технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки (растениеводство). Созданы хранилища, позволяющие длительное время сберегать кровь, материнское молоко, спинной мозг и другие живые биологические ткани. Теперь возможно и широко применяется пересадка больным консервированного с помощью низких температур костного мозга - цельной кроветворной ткани. Холод стал помощником нейрохирургов, проникающих в глубины мозговой ткани, вошел в арсенал оториноларингологов, использующих его для удаления миндалин. Офтальмологи с помощью метода криоэкстракции удаляют катаракту. Кардиологи после процесса замораживания теперь могут извлечь тромб из глубоко расположенных периферических сосудов-артерий и вен. В 1964 году в Филадельфии увидел свет первый ребенок - плод искусственного осеменения сперматозоидом, в течение нескольких лет хранившимся при низкой температуре. Учеными был разработан метод консервации: жидкая сперма покрывалась защитной смесью яичного желтка с глицерином и мгновенно замораживалась, когда ее погружали в жидкий азот. Сохраняемую таким образом сперму можно довольно просто разморозить. Для этого ее надо погрузить в тепловатую воду, имеющую температуру человеческого тела. В настоящее время уже родилось сотни тысяч детей, зачатых методом искусственного оплодотворения. Этот же метод широко используется в животноводстве для искусственного осеменения скота. Тесная взаимосвязь физических, химических и биологических явлений позволяет утверждать, что исследование эффекта криовоздействия в любой конкретной области может привести к фундаментальным открытиям, что, в свою очередь, необходимо для создания технологии будущего. 1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия по адресу: #"justify">. Карелин П.К. Физика низких температур(Краткий исторический очерк) / ООО «НТК «Криогенная техника» - с. 9-20.
Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. - М. : Машиностроение, 1990. - 208 с. Степановских А.С. Экология. М., 2001. - 703 с. 5. Физика Энциклопедия Wikipedia по адресу:
В процессе эвлюции каждый вид приспособился к существованию в условиях определенного диапазона температур и при определенном температурном режиме. Это обусловлено тем, что обменные реакции являются ферментативными, а каждый фермент действует в строго определенном диапазоне температур. По этой причине граница существования жизни определяется температурой, при которой возможно нормальное строение и функционирование белков. В естественных условиях крайние пределы простираются от- 70 до , а в условиях эксперимента от почти абсолютного нуля () до + 180 град. С.
Поскольку температура сказывается на характере и скорости протекания всех жизненно важных физико-химических процессов в клетках, то ее влияние проявляется на ходе роста, развития, размножения организмов, их форме, размерах, физиологических и поведенческих реакциях, а также на численности и распространении. Проиллюстрируем это несколькими примерами. Так холодостойкие (или криофильные) деревья и кустарники в Якутии не вымерзают при температуре минус . Некоторые животные (черви, моллюски, членистоногие) сохраняют активность при температуре минус , когда жидкость тела находится в переохлажденном состоянии. Их антиподы – термофилы не переносят низких температур и нередко гибнут уже при .
Таким образом, общие закономерности воздействия температуры на живые организмы проявляются в их способности существовать в определенном диапазоне температур. Этот диапазон ограничен нижней и верхней летальной температурами. Температура, наиболее благоприятная для жизнедеятельности, называется оптимальной. Температурный оптимум большинства организмов находится в пределах + , в умеренных и холодных зонах России оптимальны температуры от + , а у обитателей жарких и сухих районов температурный оптимум достигает + , в отдельных случаях + .
В зависимости от интервала температуры организмы делятся на эвритермные (большинство обитателей континентальных районов) и стенотермные. Однако температурный оптимум у разных видов и даже на разных стадиях развития у одного бывает неодинаков (для яиц бабочки озимой совки, например, оптимальна температура + , гусениц , куколок ). Минимальную и максимальную температуру называют соответственно нижним и верхним порогом развития или нижним и верхним биологическим нулем. Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Зная сумму эффективных температур вида (его температурную константу С) и сумму тепла той или иной местности (С1), можно определить возможность существования вида. Так, если С1/С больше или равно 1, то вид может существовать при данной температуре, если для насекомых С1/С >2, то возможно 2 или более поколений.
Развитие эндотермных животных в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды, хотя и им свойственны определенные оптимум, пессимум и пороги существования в целом. Так, молодняк у мышевидных грызунов осенью и зимой развивается в 10 раз медленнее, но к моменту полового созревания оказывается крупнее, чем в летний период. Это проявляется и у других видов, в т.ч. и человека.
Влияние температуры проявляется в ряде морфологических адаптаций. Так в Арктике и высокогорье (где мало тепла) распространены стелющиеся, подушковидные и розеточные растения, избегающие отрицательного воздействия низких температур под снегом. Для растений и эктотермных животных сумма эффективных температур величина постоянная, если другие факторы находятся в оптимуме. Так, земляника зацветает при сумме эффективных температур ., икра рыбы форели при развивается 205 дней, при - 82 дня, а при - 41 день. Сильные холода и чрезвычайная жара вызывают иногда сбрасывание намболее чувствительных частей тела у растений (цветки, завязь) или приводят к состоянию вынужденного покоя.
Морфологические адаптации к температуре довольно четко проявляются и у животных, у которых формируются такие признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой или волосяной покров, жировые отложения. Так у большинства животных Арктики и высокогорий окраска темная, а у обитателей низких широт поверхность блестящая, отражательная. Эндотермные (теплокровные) животные высоких широт, как правило, крупнее родственных видов, обитающих в жарком климате. Это способствует относительному уменьшению теплоотдачи, поскольку уменьшается относительная поверхность тела. У хладнокровных животных наблюдается обратная закономерность (правило Бергмана).
В соответствии с температурой среды варьируют также размеры выступающих частей тела. У видов, живущих в более холодном климате, конечности, уши и хвост, как правило, меньше, чем у родственных видов из более теплых мест (правило Аллена).
Третье правило, известное как правило Глогера, гласит, что окраска животных вхолодном и сухом климате сравнительно светлее, чем в теплом и влажном. Кроме того, у видов теплых стран вес органов, связанных с обменом веществ (сердце, почки, печень), меньше, чем у особей того же вида, живущих в более холодных зонах.
Как общая закономерность наблюдается запаздывания сроков развития фенологических явлений на 4 дня с продвижением на каждый градус широты и 5 градусов долготы (биоклиматический закон А.Хопкинса).
Адаптации проявляются и на уровне физико-химических процессов, протекающих в клетках, тканях и органах. Так при понижении температуры в клетках растений повышается концентрация растворов, увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной и увеличивается количество связанной воды. Важным приспособлением к низким температурам является и отложение запасных питательных веществ (жиров, масел, гликогена, аскорбиновой кислоты), которые придают цитоплазме устойчивость к замерзанию и другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода.
Температура в биосфере колеблется от +50°С до –50°С.
Виды, предпочитающие холод, относятся к экологической группе криофилов. Они могут сохранять активность при температуре до –8, 10°С. Это бактерии, грибы, черви, моллюски, рыбы и другие, живущие в арктической и антарктической областях. Виды, живущие в области высоких температур, относятся к группе термофилов . Это микроорганизмы, нематоды, клещи, личинки насекомых, живущие в аридных областях, в горячих источниках, на склонах вулканов.
По правилу ВантГоффа повышение температуры ведет к пропорциональному возрастанию скорости реакции для всех химических реакций. Но в живых организмах химические процессы идут с участием ферментов, активность которых зависит также от температуры. Возникает сложная, непропорциональная зависимость.
Величина температурного ускорения химических реакций выражают коэффициентом Q 10, которая показывает во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10 °С:
Q 10 = Kt+ 10/Kt;
где Kt – скорость реакции при температуре t; Kt+10 скорость реакции при температуре t+10. Q 10 для большинства химических реакций = 23.
Для ферментных реакций зависимость нелинейная.
Температурный порог жизни (теоретически): верхний – температура свертывания белка (60°С); нижний – температура замерзания воды (0°С). При 0°С образуются кристаллы льда, которые механически повреждают ткани.
Обезвоживание увеличивает этот порог (споры, семена). У сложных организмов тепловая гибель наступает при более низких температурах: 42 – 43 °С, причиной является рассогласование обменных процессов, т.к. Q 10 разное для разных реакций в организме. При слабом охлаждении – возникает нарушение деятельности сердца, ритм сокращений изменяется. В почках млекопитающих канальцевая реабсорбция затормаживается при температуре 2023 °С. Условные рефлексы собаки угасают при температуре 3027 °С. Морозоустойчивые растения выдерживают низкие температуры, т.к. происходит сезонная перестройка ультраструктуры клеток, они обезвоживаются.
По принципиальным особенностям теплообмена различают пойкилотермные и гомойотермные организмы.
Пойкилотермные (изменчивый, меняющийся) – холоднокровные, все, кроме птиц и млекопитающих. Температура тела неустойчива, зависит от температуры окружающей среды. Низкий уровень метаболизма, главный источник тепла – внешнее тепло.
При изменении температуры меняются также скорость обменных процессов. У растений поглощение воды корнями уменьшается на 6070% при понижении температуры от 20 до 0 °С. У животных и у растений повышение температуры вызывает усиление дыхания. От температуры зависит продолжительность развития. Для осуществления генетической программы развития пойкилотермным организмам необходимо получить извне определенное количество тепла. Это тепло измеряется суммой эффективных температур .
Эффективными температурами называют температуру выше того минимального значения, при котором процессы развития вообще возможны; эту пороговую величину называют биологическим нулем.
Семена растений обладают низким порогом развития (0 + 1°С), икра щук 225°С.
Сумму эффективных температур рассчитывают по формуле:
STэф = (TC)×n,
где Т – температура окружающей среды, С – температурный порог развития, n – число часов или дней с температурой, превышающей порог развития.
Знание суммы эффективных температур важно для прогнозов урожая, сроков вылета вредителей и т.д. Например, под СанктПетербургом, для зацветания матьимачехи STэф=77°С, земляники STэф=500°С, желтой акации STэф=700°С. Яблоневая плодожорка в северной Украине при STэф=930°С дает одно поколение, а на юге, где STэф=1870°С возможны дветри генерации за лето.
За границами диапазона температур, при которых сохраняется активная жизнедеятельность, пойкилотермические организмы переходят в состояние оцепенения, понижается уровень обменных процессов. В пассивном состоянии диапаузы они могут переносить сильное повышение и понижение температуры долго без патологических последствий.
Основой температурной толерантности является тканевая устойчивость, ПО и сильное обезвоживание.
Температурные адаптации растений
Высшие растения умеренных поясов эвритермны. Растения дождевых тропических лесов и криофильные зеленые и диатомовые водоросли в полярных льдах и на снежных полях высокогорий стенотермны. Растения тропических лесов погибают при температуре +5 … +8°С, а в сибирской тайге выдерживают полное промерзание (50 °С).
Основные пути адаптации к изменениям температур у растений – физиологические, морфологические перестройки.
По степени адаптации к холоду выделяют 3 группы:
1) нехолодостойкие растения – повреждаются и гибнут при температурах близких к 0°С и выше. Это тропические леса, водоросли теплых морей, некторые грибы.
2) неморозостойкие растения – переносят низкие температуры, но гибнут при образовании льда. Это субтропические растения.
3) Льдо или морозоустойчивые растения – произрастают в местах с холодными зимами. Растения подготавливаются к холодной зиме: обезвоживание, накапливание криопротекторов – сахаров, аминокислот и др.
По степени адаптации к высоким температурам:
1) нежаростойкие – повреждаются при температуре +30°С…+40°С. Это эукариотические водоросли, водные цветковые, наземные мезофиты.
2) Жаростойкие эукариоты – растения сухих местообитаний с сильной инсоляцией (степей, пустынь, саванн), переносят нагревание до +50°С до 30минут.
3) Жароустойчивые прокариоты – термофильные бактерии и некоторые синезеленые водоросли, живут в горячих источниках при температуре +85…+90°С.
4) Пирофиты – устойчивые к пожарам. Растения саванн, чапарраля, имеют толстую корку, пропитанную огнеупорными веществами.
Общая адаптация при повышении температуры: охлаждение при испарении влаги транспирация влаги через устьица, вертикальное расположение листьев к солнцу, гладкая отражающая листовая поверхность.
Температурные адаптации животных
Цикл развития большинства наземных животных умеренного пояса приспособлен к существованию холодных зим. В это время они пребывают в неактивном состоянии. В первую очередь это относится к насекомым, численно преобладающим в фауне всех континентов. Зимнее время они пережидают, находясь в неподвижном состоянии, остановившись в развитии, часто потеряв много воды. Диапауза может наступать у разных видов на разных стадиях развития – яйца, личинки, куколки и даже на стадии взрослой фазы. Аналогичные формы сопротивления неблагоприятным условиям свойственны большинству беспозвоночных. Даже рыбы и амфибии могут проводить зиму в неподвижном состоянии, зарывшись в ил. Сходные явления наблюдаются в условиях тропического климата, с той лишь разницей, что животные проводят в состоянии замедленной жизни самое жаркое время года, которое обычно совпадает и с наибольшей сухостью. Эстивация, или летняя спячка, широко распространенная среди насекомых и рыб. Некоторые из них изза высыхания естественной среды обитания попадают как бы в «ловушку». Многие тропические дождевые черви в сухое время года также впадают в эстивацию. Высыхание почвы для них не только неблагоприятно, но часто оказывается гибельным.
Переход в состояние оцепенения – адаптивная реакция: почти не функционирующий организм не подвергается повреждающим воздействием, не расходует энергию, что позволяет выжить при неблагоприятных условиях. При переходе в состояние оцепенения в организме происходят физиологические и биохимические изменения поэтапно, медленно.
Антарктические рыбы чувствительны к повышению температуры (погибают при + 6 °С), в тканях накапливаются биологический антифриз – гликопротеиды, которые понижают температуру замерзания воды в тканях. У растений накапливаются перед зимой сахара, АК, связывающие воду. Понижается вязкость протоплазмы и содержание Н 2О . Это ведет к понижению температуры и замерзанию жидкости в клетках.
У насекомых накапливается глицерин в гемолимфе и тканях, что понижает точку переохлаждения до –27…39 °С. Кристаллизация в клетках начинается лишь при – 60 °С.
Антифризы: глицерин, моносахара, белки, гликоген (криопротекторы).
Обезвоживание: обезвоживание коловратки до – 190 °С.
Терморегуляция: при понижении температуры: за счет мускульной активности (летающие насекомые, змея вокруг кладки яиц, у пчел – общественная регуляция – трепетание крыльями, все вместе, у одиночных пчел повышение потребления О 2. У животных – частое дыхание; черепахи – испарение слюны, которой они смачивают поверхность кожи головы, передних конечностей, обрызгивание мочой конец задних конечностей.
Адаптивное поведение: выбор места с наиболее благоприятным микроклиматом и смена позиций (из солнечных мест в тень). Краб, проявляя положительный фототаксис, выходит на мелководье (вода прогрета солнцем), в жаркое время уходит на глубину, скрывается в норах. Ящерица зарывается в песок.
Гомойотермные (греч. homoios – одинаковый, подобный) это птицы и млекопитающие (теплокровные).
Сохранение внутреннего постоянства, температура тела постоянна при изменении температуры окружающей среды. Присущ тепловой гомеостаз. Гомеостаз – это состояние динамического равновесия организма со средой, при котором организм сохраняет свои свойства и способность к осуществлению жизненных функций на фоне меняющихся внешних условий. Высокий уровень метаболизма: суточный метаболизм змеи 32 Дж/кг, у сурка 120 Дж/кг, кролика 180 Дж/кг.
Значение внешнего обогрева невелико, живут за счет внутреннего тепла, выделяющегося при экзотермических биохимических реакциях. Эндотермные организмы. Для мужчины среднего веса и среднего роста необходимо ежесуточно ~ 8000 кДж.
Температура тела: у птиц 41°С, у грызунов 3539 °С, у копытных 35 – 39 °С.
Механизмы терморегуляции:
1. Химическая терморегуляция – тепло метаболических реакций. Активно выделяют тепло печень и скелетные мышцы. Теплопродукция регулируется температурой окружающей среды и гормонами (тироксин повышает скорость метаболических реакций).
2. Терморегуляционный тонус – под действием нервных импульсов. Микросокращения фибрилл – холодовая дрожь. Газообмен повышается на 300 – 400 °С. Потирание рук, притоптывание ногами, физические упражнения повышают скорость метаболизма, повышается температура тела.
2. Окисление бурой жировой ткани (под кожей, в области шеи, груди). Важно для животных, впадающих в спячку, после сна.
3. Физическая т/р – теплоизолирующие покровы (перья, волосы, подкожный жир).
Механизмы теплоотдачи: теплопроводность, конвекция, излучение, испарение.
Теплоотдача зависит от Dt = t oc – t тела.
1. Испарение влаги с поверхности тела, потоотделение. Увеличивается при повышении температуры окружающей среды и повышении температуры тела. Животные с шерстяным покровом облизывают тело. Испарение влаги с поверхности слизистых оболочек рта, верхних дыхательных путей. Учащенное поверхностное дыхание – полипноэ. Собаки при жаре 300400 дыханий в минуту при норме 2040 дыханий в минуту. Для птиц характерна горловая дрожь – колебательные движения нижней стороны шеи (вентиляция дыхательных путей).
2. Сосудистые реакции – расширение мелких сосудов, расположенных близко к поверхности (теплоотдача во внешнюю среду повышается), сжатие поверхностных и расширение глубоколежащих сосудов (консервация тепла в организме). Большое значение имеют участки дыхательных путей с развитой сетью кровеносных сосудов – носовых ходах млекопитающих. Вдыхаемый воздух нагревается, стенки носа охлаждаются, выдох – обратный процесс (наоборот). У куриц хохолок – область сосудистой терморегуляции (температура хохолка более низкая, Var ). Потоотделение – результат повышения температуры внутри тела. Если выпить холодной воды, охладить сонные артерии, потоотделение понижается. Поскольку из сонных артерий кровь попадает в гипоталамус, то это указывает на его важную роль в терморегуляции. В гипоталамус информация о температуре окружающей среды стекается с холодовых и тепловых рецепторов на коже. Кожные рецепторы – это детекторы внешнего возмущения. Рецепторы генерируют импульсы, часть идет в гипоталамус, часть – в кору головного мозга.
При некоторых заболеваниях температура тела повышается, т.к. термостат оказывается настроен на более высокую температуру. Эту настройку вызывают пирогены (например, токсины микробов, вещества, выделяемые нейтрофилами крови). Повышение температуры стимулирует защитные реакции организма, способствует разрушению патогенных факторов. Аспирин понижает заданное значение температуры, снимает симптомы лихорадочного состояния, но при этом замедляются защитные реакции.
Приспособительная реакция – выбор оптимального места, тесные групповые скопления. Ночевка, зимовка под снегом. Сооружение гнезд, нор.
Обратимая гипотермия – спячка (нерегулярное оцепенение, суточное и сезонное). Эстивация – летняя спячка.
Адаптация к экстремальным климатическим условиям.
Правило Бергмана : В пределах вида или достаточно однородной группы близких видов животные с более крупным размером тела встречаются в более холодных областях. Т.е., животные, обитающие в холодных областях (киты, полярные медведи) имеют крупные размеры, а в жарких странах – мелкие. Исключения: мелкие арктические животные отличаются большим аппетитом, небольшие конечности, впадают в спячку, а крупные животные жарких стран (слоны, бегемоты; слоны имеют большие уши, хлопая ими, повышают теплоотдачу. Бегемот перемещается из суши в воду и наоборот. Это правило согласуется с простым термодинамическим соображением. Поверхность тела животного пропорциональна квадрату его размера, тогда как объем пропорционален кубу размера. Потеря тепла пропорциональная поверхности тела и, следовательно, тем выше, чем больше отношение поверхности тела к его объему, т.е. чем меньше тело животного. Чем крупнее животное и чем компактнее форма его тела, тем легче ему поддерживать постоянную температуру; чем мельче животное, тем выше уровень его основного обмена. Часто в качестве примера приводят пингвинов, обитающих в южном полушарии. Наиболее крупный из них – королевский пингвин – гнездится на материке Антарктида, а живет в прибрежных районах; самый мелкий – галопагосский пингвин обитает на экваторе. Фактически, однако, не все виды пингвинов при парном сравнении подтверждают это правило. Так, средний размер особей в популяциях тупика Fratercula arctica, оцененный, как это всего удобнее, по длине крылышка, постепенно сокращается в направлении с севера на юг – от 18,5 см на о.Шпицберген до 14 см на о.Майорка.
Правило Аллена : у видов, живущих в холодном климате, придатки (уши, нос) меньше, чем у родственников из теплых мест. Это правило является частным случаем предыдущего. Придатки тела (уши, хвосты, лапы) тем короче, а тело массивнее, чем холоднее климат. Хорошим примером может служить лисица: фенек Сахары имеет длинные конечности и огромные уши; лисица европейских стран более приземиста, а ее уши намного короче; у песца, живущего в Арктике, очень маленькие уши и короткая морда.
В процессе эвлюции каждый вид приспособился к существованию в условиях определенного диапазона температур и при определенном температурном режиме. Это обусловлено тем, чтообменные реакции являются ферментативными, а каждый фермент действует в строго определенном диапазоне температур.
По этой причине граница существования жизни определяется температурой, при которой возможно нормальное строение и функционирование белков. В естественных условиях крайние пределы простираются от - 70 до , а в условиях эксперимента от почти абсолютного нуля () до +.
Поскольку температура сказывается на характере и скорости протекания всех жизненно важных физико- химических процессов в клетках, то ее влияние проявляется на ходе роста, развития, размножения организмов, их форме, размерах, физиологических и поведенческих реакциях, а также на численности и распространении. Проиллюстрируем это несколькими примерами. Так холодостойкие (или криофильные) деревья и кустарники в Якутии не вымерзают при температуре минус .Некоторые животные (черви, моллюски, членистоногие) сохраняют активность при температуре минус , когда жидкость тела находится в переохлажденном состоянии. Их антиподы – термофилы не переносят низких температур и нередко гибнут уже при .
Таким образом, общие закономерности воздействия температуры на живые организмы проявляются в их способности существовать в определенном диапазоне температур. Этот диапазон ограничен нижней и верхней летальной температурами. Температура, наиболее благоприятная для жизнедеятельности, называется оптимальной. Температурный оптимизм большинства организмов находится в пределах +, в умеренных и холодных зонах России оптимальны температуры от +, а у обитателей жарких и сухих районов температурный оптимум достигает +, в отдельных случаях +.
В зависимости от интервала температуры организмы делятся на эвритермные (большинство обитателей континентальных районов) и стенотермные. Однако температурный оптимум у разных видов и даже на разных стадиях развития у одного бывает неодинаков (для яиц бабочки озимой совки, например, оптимаотна температура +, гусениц , куколок ). Минимальную и максимальную температуру называют соответственно нижним и верхним порогом развития или нижним и верхним биологическим нулем. Температуры, лежащие выше нижнего порога развития, и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Зная сумму эффективных температур вида (его температурныю константу С) и сумму тепла той или иной местности (С1), можно определить возможность существования вида. Так, если С1/С больше или равно 1, то вид может существовать при данной температуре, если для насекомых С1/С >2, то возможно 2 или более поколений.
Развитие эндотермных животных в меньшей степени зависит от температуры окружающей среды, хотя и им свойственны определенные оптимум, пессимум и пороги существования в целом. Так, молодняк мышевидных грызунов осенью и зимой развиваются в 10 раз медленнее, но к моменту полового созревания оказывается крупнее, чем в летний период. Это проявляется и у других видов, в т.ч. и человека.
Влияние температуры проявляется в ряде морфологических адаптаций. Так в Арктике и высокогорье (где мало тепла) распространены стелющиеся, подушковидные и розеточные растения, избегающие отрицательного воздействия низких температур под снегом. Для растений и экзотермных животных сумма эффективных температур величина постоянная, если другие факторы находятся в оптимуме. Так, земляника зацветает при сумме эффективных температур . Икра рыбы форели при развивается 205 дней, при - 82 дня, а при - 41 день. Сильные холода и чрезвычайная жара вызывают иногда сбрасывание намболее чувствительных частей тела у растений (цветки, зявязь) или приводят в состояние вынужденного покоя.
Морфологические адаптации к температуре довольно четко проявляются и у животных, у которых формируются такие признаки, как отражательная поверхность тела, пуховой, перьевой или волосяной покров, жировые отложения. Так у большинства Арктики и высокогорий окраска темная, а у обитателей низких широт поверхность блестящая, отражательная. Эндотермные (теплокровные) животные высоких широт, как правило, крупнее родственных видов, обитающих в жарком климате. Это способствует относительному уменьшению теплоотдачи, поскольку уменьшается относительная поверхность тела. У хладнокровных животных наблюдается обратная закономерность (правило Бергмана).
В соответствии с температурой среды варьируют также размеры выступающих частей тела. У видов, живущих в более холодном климате, конечности, уши и хвост, как правило, меньше, чем у родственных видов из более теплых мест (правило Аллена). Третье правило, известное как правило Глогера, гласит, что окраска животных в холодном и сухом климате сравнительно светлее, чем теплом и влажнм. Кроме того, у видов теплых стран вес органов, связанных с обменом веществ (сердце, почки, печень), меньше, чем у особей того же вида, живущих в более холодных зонах. Как общая закономерность наблюдается запаздывание сроков развития фенологических явлений на 4 дня с продвижением на каждый градус широты и 5 градусов долготы (биоклиматический закон А.Хопкинса).
апции проявляются и на уровне физико-химических процессов, протекающих в клетках, тканях и органах. Так при понижении температуры в клетках растений повышается концентрация растворов, увеличивается осмотическое давление клеточного сока, уменьшается содержание свободной и увеличивается количество связанной воды. Важным приспособлением к низким температурам является и отложение запасных питательных веществ (жиров, масел, гликогена, аскогена, аскорбиновой кислоты), которые придают цитоплазме устойчивость к замерзанию и другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода.
Суточные и сезонные колебания температуры, масштабы которых возрастают с удалением от экватора, привели к формированию ряда адаптаций, которые осуществляются активным, пассивным путем и избеганием неблагоприятных воздействий. В целом по степени адаптации к условиям дефицита тепла растения делят на 3 группы:
Нехолодостойкие - растения дождевых тропических лесов;
Неморозостойкие - субтропические виды, которые выносят охлаждения до ;
Морозоустойчивые - растения, произрастающие в областях с сезонным климатом.
По степени адаптации растений к высоким температурам выделяют:
Нежаростойкие – повреждаются уже при t (водные);
Жаровыносливые- до - обитатели сухих мест;
Жароустойчивые –до - прокариоты. Некоторые растения регулярно испытывают влияние пожаров – пирофиты.
У животных регуляторные механизмы выражены лучше и по их характеру выделяют пойкилотермный, гомойотермный и гетеротермный типы теплообмена:
Теплокровные животные являются преимущественно эвритермными, а среди хладнокровных больше стенотермных.
4.3.4. Роль влажности в жизни наземных организмов .
Вода является важным экологическим фактором, причем одновременно климатическим и эдафическим. Она служит основной частью цитоплазмы и тканевых жидкостей растений и животных, которые на 40-99% состоят из воды. Вода с растворенными в ней веществами определяет осмотическое давление клеочных и тканевых жидкостей и межклеточный обмен. В водных растворах протекают реакции обмена, транспортиуются питательные вещества и удаляются продукты обмена. У растений она обеспечивает фотосинтез и транспирацию, у наземных животных газообмен; влажность среды часто лимитирует распространение и численность организмов на нашей планете.
По этой причине проблема обеспечения организмов достаточным количеством влаги является важнейшей для любого организма. Человек, например, без особых негативных последствий может потерять почти все жиры, половину белков, значительную часть минеральных компонентов, но потеря 10-12 % воды создает угрозу организму, а потеря 20% - смертельна. В связи с этим у животных выработался ряд морфологических, физиологических, а у высших животных и поведенческих адаптаций, обеспечивающих экономное расходование влаги. Их характер определяется содержанием влаги в окружающей среде (абсолютная и относительная влажность), ее физическими и химическими параметрами, а также климатом и погодой. Большое значение для организмов имеет и дефицит насыщения воздуха водяными парами, который возрастает с повышением температуры.
Важным в жизни организмов является распределение влаги по сезонам в течение года и ее суточные колебания, которые определяют периодичность активной жизни организмов, влияют на продолжительность их развития, плодовитость и смертность. Так, в высоких широтах даже обильные осадки холодного сезона недоступны растениям, а в теплое время порой незначительное их количество оказывается жизненно необходимым.
Источниками влаги для наземных организмов являются атмосферные осадки, количество которых зависит от общеклиматической характеристики региона. Их общее количество и соотношение с испаряемостью отражает водообеспеченность растений и животных. В тех регионах, где испаряемость превышает количество осадков и ощущается недостаток влаги, сложились аридные и семиаридные условия, а где обеспеченность влагой достаточна – гумидные. Наряду с этими показателями важное значение имеет водообеспеченность важнейших жизненных периодов и условия увлажнения конкретных местообитаний. В итоге воздействия этих факторов сформировались:
Эвригигробионтные оранизмы, существующие при значительном колебании влажности;
Стеногигробионтные, существующие при строго опренделенной влажности (высокой, средней или низкой). Таким образом, влажность и водный режим оказывают существенное влияние на жизнедеятельность организмов.
Нормальное функционирование растений возможно лишь при достаточном обеспечении их водой. Низшие растения влагу поглощают всей поверхностью, мхи - ризоидами, а высшие растения – корнями (и некоторыми специализированными органами), в которых развивается сосущая сила до 60 атм. Поглощенная вода трансформируетсяот клетки в клетке, а затем по сосудам во все органы, где расходуется на фотосинтез (0,5%), транспирацию и поддержание тургора. При достаточной обеспеченности влагой говорят, что водный баланс уравновешен, хотя это равновесие может и нарушаться (кратковременно или на более длительный период). По приспособленности растений к колебаниям водного баланса различают пойкилогидридные и гомойогидридные виды.
Животные воду получают при питье, с сочной пищей, некоторые через покровы, а ряд видов обходятся метаболической водой. Потери же ее происходят при выведении продуктов обмена, а также при дыхании и теплообмене. В целом животных по отношению к водному режиму можно разделить на 3 экологические группы, которые, однако, выражены менее четко, чем у растений:
Гигрофилы – со слабым развитием или полным отсутствием механизмов регуляции водного обмена. Они не могут удерживать влагу, вынуждены постоянно пополнять ее запасы и, как следствие, населяют места с высокой влажностью;
Мезофиллы – обитают в условиях умеренного увлажнения (50-80%) и сравнительно легко переносят ее колебания (большинство наземных видов);
Ксерофилы – сухолюбивые животные с хорошо развитыми механизмами регуляции водного обмена и приспособлением к удержанию воды в теле. Это так называемые «чистые типы», а чаще всего приспособления осуществляются сочетанием всех возможных путей адаптации.