🗊Презентация Температурная зависимость биологических процессов

Температурная зависимость биологических процессов

Температура занимает особое положение среди экологических факторов, поскольку она неустранима при любых условиях среды. Температура занимает особое положение среди экологических факторов, поскольку она неустранима при любых условиях среды. Она определяет скорость и кинетическую энергию движения молекул, которые становятся равными нулю лишь при недостижимых условиях абсолютного нуля и возрастают с ее повышением. Жизнедеятельность организмов в конечном итоге сводится к совокупности биохимических реакций в их клетках. Поэтому температура оказывает значительное воздействие на скорость всех жизненных процессов организма.

Основоположником изучения воздействия температуры на скорость биологических процессов является французский ученый Рене Реомюр. Основоположником изучения воздействия температуры на скорость биологических процессов является французский ученый Рене Реомюр. В 1728 г. он установил, что длительность развития гусениц тутового шелкопряда в эксперименте сокращается при повышении температуры среды. При этом произведение длительности развития на температуру среды оставалось приблизительно постоянной величиной.

Понятие скорости биологических процессов отличается от скорости химических реакций. В последнем случае – это абсолютная величина, выражающая изменение концентраций реагирующих веществ в единицу времени. Понятие скорости биологических процессов отличается от скорости химических реакций. В последнем случае – это абсолютная величина, выражающая изменение концентраций реагирующих веществ в единицу времени. Скорости таких биологических процессов, как дыхание и питание, выражаются в количестве потребленных организмом кислорода и пищи в единицу времени, они имеют размерность «масса вещества особь-1 время-1». В то же время, скорость развития, или прохождения отдельных стадий жизненного цикла (эмбриогенез, личиночное развитие и т.д.), является обратной величиной от их абсолютной длительности, имеющей размерность «время-1». Она означает, какая доля от общей продолжительности стадии развития приходится на единицу времени. Если эмбриогенез у жаброногого рачка Artemia salina при 25оС длится 5 суток, то скорость эмбриогенеза составляет 1/5 суток, или 0,2 суток-1.

Свойство организма изменять скорости своих жизненных процессов под влиянием температуры называется термолабильностью. По степени ее выраженности все организмы делятся на две группы: Свойство организма изменять скорости своих жизненных процессов под влиянием температуры называется термолабильностью. По степени ее выраженности все организмы делятся на две группы: 1) Гомойотермные организмы, к которым относятся млекопитающие и птицы, обладают совершенными механизмами терморегуляции. Поэтому температура их тела достаточно постоянна и мало зависит от температуры окружающей среды. Температура среды в пределах толерантных ее значений оказывает сравнительно небольшое влияние на скорости биологических процессов в их организмах; 2) Пойкилотермные организмы, к которым относятся все остальные животные, а также растения, грибы, протисты и прокариоты, не обладают совершенными механизмами терморегуляции или они у них вообще отсутствуют. Температура их тела непостоянна и очень близка к температуре окружающей среды. Температура среды в пределах толерантных ее значений оказывает значительное воздействие на скорости всех биологических процессов у этих видов.

Пойкилотермные организмы отличаются гораздо более высокой термолабильностью и значительно более распространены в природе. Пойкилотермные организмы отличаются гораздо более высокой термолабильностью и значительно более распространены в природе. Поэтому закономерности температурной зависимости биологических процессов мы рассмотрим на их примере.

Экспоненциальные уравнения термолабильности Экспоненциальные уравнения термолабильности Как правило, в пределах зоны толерантности повышение температуры приводит к увеличению скоростей биологических процессов. Для характеристики этой зависимости часто используют температурный коэффициент Вант-Гоффа, или Q10. Q10 показывает, во сколько раз возрастает скорость процесса при увеличении температуры на 10оС.

Если температурный интервал (t2 – t1) отличается от 10оС, значение Q10 для него рассчитывается согласно: Если температурный интервал (t2 – t1) отличается от 10оС, значение Q10 для него рассчитывается согласно:

Приняв в предыдущем уравнении t1 = 0, а t2 – переменным значением температуры (t), получим уравнении зависимости скорости развития (Vt) от температуры: Приняв в предыдущем уравнении t1 = 0, а t2 – переменным значением температуры (t), получим уравнении зависимости скорости развития (Vt) от температуры:

Формула Таути Формула Таути

Если ΔF = const., тогда выражение R = ΔF/R = μ также является постоянной величиной. Если ΔF = const., тогда выражение R = ΔF/R = μ также является постоянной величиной. Тогда уравнение Вант-Гоффа – Аррениуса можно упростить:

Температурная зависимость длительности эмбрионального развития Температурная зависимость длительности эмбрионального развития Скорости многих биологических процессов определяются не только температурой, но и другими факторами, например, плотностью популяции, размерами тела особей и обеспеченностью их пищей. В то же время, рост и развитие эмбрионов происходит только за счет питательных веществ желтка, запасы которых в яйцах у особей одного вида очень близки. На этом фоне легче выделить влияние температуры. Поэтому длительность эмбрионального развития пойкилотермных животных является удобной моделью для изучения термолабильности.

У большинства беспозвоночных связь между температурой (t,оС) и длительностью эмбриогенеза (D) на графике может быть передана «провисающей», или «цепной кривой», поскольку она напоминает форму тяжелой цепи, подвешенной к потолку на двух веревках разной длины. У большинства беспозвоночных связь между температурой (t,оС) и длительностью эмбриогенеза (D) на графике может быть передана «провисающей», или «цепной кривой», поскольку она напоминает форму тяжелой цепи, подвешенной к потолку на двух веревках разной длины.

Такие кривые возможно удовлетворительно описать квадратным уравнением (полином второй степени): Такие кривые возможно удовлетворительно описать квадратным уравнением (полином второй степени): D = аt2 + bt + Do, где Do – условное значение D при t = 0оС, а и b – эмпирические константы. По этому уравнению легко рассчитать значение температуры (t'), при которой длительность эмбрионального развития минимальна (tDmin). Для этого необходимо приравнять первую производную этого уравнения к нулю и решить полученное уравнение относительно t:

Уравнение для приведенного выше вида насекомых в численной форме имеет вид: Уравнение для приведенного выше вида насекомых в численной форме имеет вид: D = 0,46t2 – 26,8t + 41,3.

Правило суммы эффективных температур Правило суммы эффективных температур

В температурной зоне, где имеет место линейная зависимость 1/D от t, произведение длительности развития (D) на эффективную температуру (t – to) является постоянной величиной S, т.е. В температурной зоне, где имеет место линейная зависимость 1/D от t, произведение длительности развития (D) на эффективную температуру (t – to) является постоянной величиной S, т.е. S = D(t – to) = const. Величина S носит название «сумма эффективных температур» и имеет размерность «градусо-дни» или «градусо-часы», to - температура условного «биологического нуля», или «нижний температурный порог», ниже которого развитие невозможно. Как правило, to несколько выше нулевой температуры по шкале Цельсия. Из приведенного выше уравнения следует, что и далее