Ekologie Reakce Organismu na Změny a Regulační Mechanismy

Ekologická pravidla a faktory limitující rozšíření organismů hrají klíčovou roli v jejich přežití a adaptaci na prostředí. Mezi hlavní podmínky umožňující život na Zemi patří schopnost organismů reagovat na klíčové faktory prostředí.

Ekologická Pravidla a Faktory Limitující Rozšíření

Zákon minima (Lieblig, 1842) říká, že růst rostlin je limitován prvkem, jehož koncentrace je vzhledem k jeho nutnosti a využitelnosti v minimu. Například fosfor je limitujícím prvkem v mořských ekosystémech a byl dlouhou dobu limitujícím prvkem i ve většině sladkých vod.

Stanovení limitujícího faktoru je však odlišné pro populaci jednoho druhu rostliny a pro celé společenstvo, které může obsahovat složky, účinně fixující některé nezbytné živiny, např. dusík. Pojem limitujícího faktoru byl později rozšířen i na další nezbytné podmínky života, např. teplotu.

Vzájemná interakce limitujících prvků často způsobuje, že rostliny jsou schopné nahradit některý nutný prvek jiným, či v přítomnosti určitého prvku je jejich spotřeba jiného limitujícího prvku nižší. Např. nynější zápas mezi organismy a jejich prostředím i hranice tohoto zápasu vymezují organismu žít jen v úzkém rozmezí těchto podmínek.

Termoregulace a Homeostáze

Termoregulace je schopnost organismu udržet svou tělesnou teplotu v určitých mezích, i když je okolní teplota velmi rozdílná. Tento proces je jedním z aspektů homeostázy: dynamického stavu stability mezi vnitřním prostředím živočicha a jeho vnějším prostředím (studium těchto procesů se v zoologii nazývá ekofyziologie nebo fyziologická ekologie).

Čtěte také: Životní prostředí Petrohradu

Termoregulace je důležitým aspektem lidské homeostázy. Lidé se dokázali přizpůsobit velmi rozmanitým klimatickým podmínkám, včetně horkého vlhkého a horkého suchého. Vysoké teploty představují pro lidský organismus vážnou zátěž a vystavují ho velkému nebezpečí zranění nebo dokonce smrti.

Kůže pomáhá při homeostáze (udržování různých aspektů těla, např. teploty). Toho dosahuje tím, že reaguje odlišně na horko a chlad, takže vnitřní teplota těla zůstává víceméně konstantní. Rozšíření cév a pocení jsou hlavními způsoby, kterými se lidé snaží ztratit přebytečné tělesné teplo.

Výše vysvětlený proces, při kterém kůže reguluje tělesnou teplotu, je součástí termoregulace. Poznámka: Zprávy z mozku, které se dostávají k efektorům (např. svalům a žlázám), jsou přenášeny motorickými neurony. Neurony jsou specializované buňky, které předávají zprávy po těle ve formě elektrických impulsů. Motorické neurony jsou ty, které předávají zprávy z mozku přímo efektoru, v tomto případě svalům.

Teplokrevní a Studenokrevní Živočichové

Na základě četných pozorování lidí a dalších zvířat John Hunter ukázal, že zásadní rozdíl mezi tzv. teplokrevnými a studenokrevnými živočichy spočívá v pozorované stálosti teploty u prvních a v pozorované proměnlivosti teploty u druhých. Téměř všichni ptáci a savci mají vysokou teplotu téměř konstantní a nezávislou na teplotě okolního vzduchu. Tomu se říká homeotermie.

Výjimkou jsou někteří savci, kteří jsou v létě nebo přes den teplokrevní, ale v zimě, kdy hibernují nebo v noci spí, jsou studenokrevní. J. O. Wakelin Barratt prokázal, že za určitých patologických podmínek se může teplokrevný (homeotermní) živočich stát dočasně studenokrevným (poikilotermním). Přesvědčivě prokázal, že tento stav existuje u králíků trpících vzteklinou v posledním období jejich života, přičemž rektální teplota se pak pohybuje v rozmezí několika stupňů od pokojové teploty a kolísá s ní. Tento stav vysvětluje předpokladem, že nervový mechanismus regulace tepla je ochromen.

Čtěte také: Ekologické aspekty vody v podniku

Protože se v tomto období také zpomaluje dýchání a srdeční tep, je podobnost se stavem hibernace značná. Sutherland Simpson zase prokázal, že během hluboké anestezie má teplokrevný živočich tendenci přijímat stejnou teplotu jako jeho okolí. Prokázal, že když je opice v hluboké anestezii s éterem umístěna do chladné komory, její teplota postupně klesá, a když dosáhne dostatečně nízké teploty (u opice asi 25 °C), není již nutné používat anestetika, zvíře je pak necitlivé k bolesti a není schopno se probudit žádným podnětem; je vlastně narkotizováno chladem a nachází se ve stavu, který lze nazvat „umělou hibernací“. To se opět vysvětluje tím, že byl narušen mechanismus regulace tepla. Podobné výsledky byly získány při pokusech na kočkách.

Ztráta Tepla a Adaptace na Chlad

Bylo také zjištěno, že u lidí může až 80 % ztrátového tělesného tepla unikat hlavou. To je způsobeno tím, že kůže na hlavě je relativně tenká a je zde velké množství cév. Je také známo, že při rozdílu teplot se zvyšuje teplota té vyšší. Jedním ze způsobů ochlazení je vyhledávání stínu.

Některé ryby si pro zvládání nízkých teplot vyvinuly schopnost zůstat funkční, i když je teplota vody pod bodem mrazu; některé používají přírodní nemrznoucí směs nebo nemrznoucí proteiny, aby odolaly tvorbě ledových krystalů ve svých tkáních. Aby organismus mohl regulovat tělesnou teplotu, může být nutné zabránit tepelným ziskům v suchém prostředí.

Mechanizmy Ochlazování a Izolace

Odpařování vody, ať už přes dýchací plochy nebo přes kůži u zvířat, která mají potní žlázy, pomáhá ochlazovat tělesnou teplotu v rámci tolerančního rozmezí organismu. Zvířata s tělem pokrytým srstí mají omezenou schopnost potit se a spoléhají se především na dýchání, které zvyšuje odpařování vody přes vlhké povrchy plic a jazyka a úst. Ptáci se přehřátí brání také dýcháním, protože jejich tenká kůže nemá potní žlázy.

Peří zachycuje teplý vzduch a funguje jako výborný izolátor, stejně jako srst savců; kůže savců je mnohem silnější než kůže ptáků a často má pod škárou souvislou vrstvu izolačního tuku - u mořských savců, jako jsou velryby, se označuje jako tuk.

Čtěte také: Nerezová ocel a životní prostředí

Snížení Metabolismu a Teploty

Další strategií při chladném počasí je dočasné snížení rychlosti metabolismu a tělesné teploty regulované snížením tělesné teploty se snižuje teplotní rozdíl mezi zvířetem a vzduchem, a tím se minimalizují tepelné ztráty. Kromě toho je nižší rychlost metabolismu energeticky méně nákladná. Mnoho zvířat přežívá chladné mrazivé noci díky torporu, krátkodobému dočasnému poklesu tělesné teploty.

Systém Zpětné Vazby a Regulace Teploty

Organismy, když jsou postaveny před problém regulace tělesné teploty, mají nejen behaviorální, fyziologické a strukturální adaptace, ale také systém zpětné vazby, který tyto adaptace spouští, aby odpovídajícím způsobem regulovaly teplotu. Hlavními rysy tohoto systému jsou: podnět, receptor, modulátor, efektor a poté zpětná vazba nyní upravené teploty na podnět.

Vliv Velikosti Těla na Termoregulaci

Periodicita spánkového cyklu silně souvisí s velikostí těla jak mezi jednotlivými druhy, tak i v rámci jednoho druhu. To může souviset s nároky na termoregulaci. Během klidného spánku fungují termoregulační mechanismy normálně, ale během aktivního spánku nedochází k žádné reakci na tepelný stres. To by mohlo mít závažné důsledky pro malé živočichy (viz gigantotermie), jejichž tělesná teplota je kvůli menší tepelné kapacitě snadněji ovlivnitelná okolní teplotou.

Regulace Teploty u Různých Živočichů

Kromě člověka udržuje svou tělesnou teplotu fyziologickými a behaviorálními úpravami i řada dalších živočichů. Například pouštní ještěrka je ektoterm, a proto není schopna regulovat svou teplotu pomocí metabolické regulace. Neustálou změnou polohy však dokáže udržovat hrubou formu regulace teploty. Ráno se z nory vynoří pouze hlava. Později se odhalí celé tělo. Ještěrka se vyhřívá na slunci a přijímá sluneční teplo. Když teplota dosáhne vyšších hodnot, ještěrka se schová pod kameny nebo se vrátí do své nory.

Někteří živočichové žijící v chladném prostředí si udržují tělesnou teplotu tím, že zabraňují tepelným ztrátám. Jejich srst roste hustěji, aby se zvýšila izolace. Někteří živočichové jsou regionálně heterotermní a jsou schopni nechat své méně izolované končetiny vychladnout na teplotu mnohem nižší, než je jejich vnitřní teplota - téměř na 0 °C.

Normální Tělesná Teplota

Dříve se za průměrnou teplotu v ústech zdravých dospělých považovala teplota 37,0 °C (98,6 °F), zatímco normální rozmezí je 36,1 °C (97,0 °F) až 37,8 °C (100,0 °F). V Polsku a Rusku se teplota měřila v podpaží. Nedávné studie naznačují, že průměrná teplota zdravých dospělých osob je 98,2 °F nebo 36,8 °C (stejný výsledek ve třech různých studiích). Teplota se liší v závislosti na umístění teploměru, přičemž rektální teplota je o 0,3-0,6 °C vyšší než teplota v ústech, zatímco axilární teplota je o 0,3-0,6 °C nižší než teplota v ústech.

Teplota u Mláďat a Denní Kolísání

Mezi nižšími teplokrevnými živočichy jsou i takoví, kteří se po narození jeví jako studenokrevní. Koťata, králíci a štěňata, pokud jsou krátce po narození odstraněna ze svého okolí, ztrácejí tělesné teplo, dokud jejich teplota neklesne na několik stupňů teploty okolního vzduchu. Tato zvířata jsou však po narození slepá, bezmocná a v některých případech i nahá. Zvířata, která se narodí v době, kdy jsou již ve vyšším stupni vývoje, mohou udržovat svou teplotu poměrně konstantní. U silných a zdravých mláďat starých jeden nebo dva dny teplota mírně stoupá, ale u slabých a špatně vyvinutých dětí buď zůstává stabilní, nebo klesá.

U lidí bylo pozorováno denní kolísání v závislosti na období odpočinku a aktivity, nejnižší je v době od 23:00 do 3:00 a nejvyšší v době od 10:00 do 18:00. Také u opic je dobře patrné pravidelné denní kolísání tělesné teploty, které se řídí obdobím odpočinku a aktivity a není závislé na střídání dne a noci; noční opice dosahují nejvyšší tělesné teploty v noci a nejnižší ve dne. Sutherland Simpson a J. J. Galbraith vypozorovali, že u všech nočních zvířat a ptáků - u nichž se období odpočinku a aktivity přirozeně střídají díky zvyku, a nikoli zásahům zvenčí - dochází k nejvyšší teplotě v přirozeném období aktivity (v noci) a k nejnižší v období odpočinku (ve dne).

Teplotní křivka denních ptáků je v podstatě podobná teplotní křivce člověka a ostatních homoeotermních živočichů s tím rozdílem, že maximum nastává dříve odpoledne a minimum dříve ráno. Rovněž křivky získané od králíků, morčat a psů byly dosti podobné křivkám od člověka.

Vliv Menstruačního Cyklu na Teplotu

Během folikulární fáze (která trvá od prvního dne menstruace do dne ovulace) se průměrná bazální tělesná teplota u žen pohybuje v rozmezí 36,45 - 36,7 °C (97,6 - 98,6 °F). Během 24 hodin po ovulaci dochází u žen ke zvýšení teploty o 0,15 - 0,45 °C (0,2 - 0,9 °F) v důsledku zvýšené rychlosti metabolismu způsobené prudce zvýšenou hladinou progesteronu. Bazální tělesná teplota se během luteální fáze pohybuje v rozmezí 36,7 - 37,3 °C a během několika dní po menstruaci klesá na předovulační hodnoty.

Horečka a Vliv Jídla a Cvičení

Horečka je regulované zvýšení teploty jádra v hypotalamu, které je způsobeno cirkulujícími pyrogeny produkovanými imunitním systémem. Jídlo někdy způsobuje mírné povznesení, jindy mírnou depresi - zdá se, že alkohol vždy způsobuje pokles. Cvičení a změny vnější teploty v běžných mezích způsobují velmi malé změny, protože působí mnoho kompenzačních vlivů, o nichž bude řeč později.

Dlouhověkost a Tělesná Teplota

Dlouho se předpokládalo, že nízká tělesná teplota může prodloužit život. V listopadu 2006 tým vědců ze Scripps Research Institute oznámil, že transgenní myši, které měly tělesnou teplotu o 0,3-0,5 C nižší než normální myši (v důsledku nadměrné exprese uncoupling proteinu 2 v neuronech hypokretinu (Hcrt-UCP2), který zvyšuje teplotu hypotalamu, a nutí tak hypotalamus snižovat tělesnou teplotu), skutečně žily déle než normální myši. U samců byla délka života delší o 12 % a u samic o 20 %. Myši mohly jíst tolik, kolik chtěly.

Extrémní Teploty a Přežití

Existují hranice tepla i chladu, které teplokrevný živočich snese, a další mnohem širší hranice, které může studenokrevný živočich snést, a přesto přežít. Příliš velký chlad má za následek snížení metabolismu, a tím i snížení produkce tepla. Na útlumu se podílejí jak katabolické, tak anabolické změny, a přestože se spotřebuje méně energie, vzniká ještě méně energie. Tento snížený metabolismus se projevuje nejprve na centrálním nervovém systému, zejména na mozku a částech, které se podílejí na vědomí. Snižuje se srdeční i dechová frekvence, dostavuje se ospalost, která se stále prohlubuje, až přechází ve spánek smrti.

Sutherland Simpson a Percy T. Herring při pokusech na kočkách zjistili, že kočky nejsou schopny přežít, pokud je jejich rektální teplota snížena pod 16 °C. Při této nízké teplotě dýchání stále více sláblo, srdeční tep obvykle pokračoval i poté, co dýchání ustalo, údery se stávaly velmi nepravidelnými, zřejmě ustávaly a pak opět začínaly.

Na druhou stranu příliš vysoká teplota urychluje metabolismus různých tkání takovým tempem, že se jejich kapitál brzy vyčerpá. Příliš teplá krev vyvolává dušnost a brzy vyčerpá metabolický kapitál dýchacího centra. Srdeční frekvence se zvyšuje, údery se pak stávají arytmickými a nakonec ustávají. Centrální nervový systém je rovněž hluboce postižen, může dojít ke ztrátě vědomí a pacient upadá do komatózního stavu nebo se může dostavit delirium a křeče. Všechny tyto změny lze pozorovat u každého pacienta trpícího akutní horečkou.

Spodní hranice teploty, kterou člověk snese, závisí na mnoha okolnostech, ale nikdo nemůže dlouho přežít teplotu 45 °C nebo vyšší. H. M. Vernon se zabýval teplotou smrti a teplotou ochrnutí (teplotou tepelné ztuhlosti) různých zvířat. Zjistil, že živočichové ze stejné třídy živočišné říše vykazují velmi podobné hodnoty teploty: u zkoumaných obojživelníků 38,5 °C, u ryb 39 °C, u plazů 45 °C a u různých měkkýšů 46 °C. Také v případě pelagických živočichů prokázal vztah mezi teplotou smrti a množstvím pevných složek těla, přičemž Cestus[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text] měl nejnižší teplotu smrti a nejmenší množství pevných složek v těle.

Termoregulace u Člověka

Člověk, jakožto teplokrevný (homoiotermní) živočich se vyznačuje tím, že je schopen za využití termoregulačních mechanismů udržovat stálou teplotu jádra, tj. hluboko uložených orgánů, téměř nezávislou na změnách okolního prostředí. Organismus jako otevřený systém je se svým okolím v neustálé interakci. Z hlediska termodynamiky je lidský organismus otevřeným termodynamickým systémem. Za normálních podmínek organismus získává podstatnou část energie z potravy ve formě energie chemické. Teplo v organismu vzniká převážně jako vedlejší produkt jiných forem energie, pouze výjimečně vzniká cíleně (chladový třes jako mechanismus termoregulace).

Aby se toto teplo v organismu neakumulovalo a tím nezvyšovala jeho teplota, je organismus schopen do jisté míry jeho odvod do okolí regulovat. Systém je schopný regulovat v určitém rozmezí svou teplotu, pokud se ale překročí a regulace teploty již není možná, teplota jádra (hluboko uložených orgánů) vzrůstá. Toto vede k přehřátí a kolapsu organismu. Autoregulace teploty je zpětnou vazbou organismu. Centrem regulace teploty je hypothalamus. V předním hypotalamu se nacházejí centrální termoreceptory. Dvě třetiny z nich reagují na teplo, třetina na chlad. Termoregulační centrum uložené v zadním hypotalamu samo o sobě není citlivé na teplotu, „propočítává“ však informace přicházející z periferních termoreceptorů, které se nacházejí především v kůži, a vysílají řídící signály. Na periferii je desetkrát více chladových receptorů (Krauseho tělíska) než tepelných (Ruffiniho tělíska).

Mechanizmy Přenosu Tepla

Radiace (sálání) je přenos tepla z jednoho tělesa na druhé o rozdílné teplotě infračerveným elektromagnetickým zářením, aniž by se oba předměty dotýkaly. Množství takto přeneseného tepla podle Stefan-Boltzmannova zákona odpovídá funkci čtvrté mocniny teploty sálajícího tělesa. Stejným mechanismem působí okolí zpětně na lidské tělo, to znamená, že celková vyzářená energie je úměrná rozdílu čtvrtých mocnin povrchové teploty těla a teploty objektů v okolí. Teplota vzduchu, kterým tepelné záření prochází, má na přenos tepla pouze malý vliv.

Osoba v chladném prostředí ztrácí teplo vedením do vzduchu, který ji obklopuje a sáláním na chladné předměty ve své blízkosti. Naopak, jedinec v teplejším prostředí, než je jeho tělo tělesná teplota, stejnými mechanismy teplo přijímá a jeho teplota stoupá.

Kondukce (vedení) je předávání tepla dotykem mezi dvěma různě teplými tělesy. Dochází při něm k přenosu tepelné energie z místa (tělesa) o vyšší teplotě do místa (tělesa) o nižší teplotě. Molekuly jsou v pohybu a energie jejich pohybu je úměrná teplotě. Molekuly teplejšího tělesa narážejí na molekuly tělesa chladnějšího a tím na ně přenášejí část své tepelné energie. Množství přeneseného tepla je úměrné rozdílu teplot obou dotýkajících se předmětů (tepelnému gradientu). V lidském organismu je nejvýznamnějším mechan...

tags: #ekologie #reakce #organismu #na #změny #regulatory

Oblíbené příspěvky:

• Co je molekulární ekologie?
• Strakonická příroda
• Recyklace odpadu z výroby železa
• Praktické litinové umyvadlo
• Mikroplasty a třídění odpadu