温度適応と順応

動物が、季節、生涯、あるいは進化的な時間を通じて、環境の温度に対処するために生理機能と生化学をどのように調整するか。

Definition

温度適応とは、動物の生理機能と生化学がその熱環境に対して進化的に調整されることであり、順応とは、個体が季節的または実験的な温度変化に応じて行う可逆的な生理学的調整であり、どちらも熱的課題全体で機能を維持するのに役立ちます。

Scope

このトピックでは、動物が温度に順応する方法、すなわち、生物学的速度に対する温度の影響、温度範囲全体でパフォーマンスを緩衝する代謝補償、酵素と膜の生化学的適応、および不凍液と凍結耐性を含む低温および高温耐性の戦略について扱います。個体内の可逆的な順応と、集団における進化的適応とを区別します。内容は比較とメカニズムに焦点を当てています。

Core questions

• 温度は生物学的プロセスの速度にどのように影響しますか？
• 動物は様々な温度範囲でどのように活動を維持しますか？
• 酵素と膜は異なる温度で機能するようにどのように調整されますか？
• 動物は凍結または凍結に近い条件下でどのように生き残りますか？

Key theories

代謝温度補償

順応と適応を通じて、動物は生物学的速度の温度への強い依存性を鈍らせることができ、その結果、個体または種の通常の温度でのパフォーマンスは、反応の生来の温度感受性が予測するよりも均一になります。

タンパク質と膜の生化学的適応

動物は、酵素バリアント、タンパク質濃度、および膜脂質組成（ホメオ粘性適応）を調整し、触媒機能と膜流動性が現在の温度で適切に維持されるようにします。

Mechanisms

化学反応速度は温度とともに上昇するため、変温動物のプロセスは暖まると加速し、冷えると減速します。これは温度係数によって要約されます。これを相殺するために、動物は時間をかけて調整します。順応は酵素量と代謝経路を変化させ、低温順応した動物が、同じ温度で高温順応した動物よりも低温でより良く機能するようにします。分子レベルでは、生物は温度に適した酵素バリアントを発現し、膜の脂質組成を変化させて流動性を一定に保ちます（ホメオ粘性適応）。低温適応した動物は、氷の形成を防ぐ、または制御する不凍タンパク質や溶質を蓄積することがあり、一部の動物は細胞外液の凍結に耐えます。熱耐性のある動物は、保護タンパク質と安定した分子構造に依存しています。これらの調整は、生涯における可逆的な順応と、より長期的な進化的適応にわたります。

Clinical relevance

熱適応の研究は、細胞および分子機能が温度全体でどのように維持されるかを明らかにし、細胞および組織の低温保存などの応用を支えています。この項目は教育的な参考資料であり、医学的な助言を提供するものではありません。

History

HochachkaとSomeroによる生化学的適応に関する研究は、酵素と膜がどのように温度に適合するかを確立し、DeVriesによる極地の魚における不凍糖タンパク質の発見は、凍結する海での生命に対する驚くべき分子レベルの解決策を明らかにし、温度適応を分子レベルで解決される問題として位置づけました。

Key figures

• Peter Hochachka
• George Somero
• Knut Schmidt-Nielsen
• Arthur DeVries

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

適応と順応の違いは何ですか？

適応とは、世代を超えた進化によって形成された遺伝的な調整を指し、順応とは、季節の変化などに応じて個体がその生涯の中で行う可逆的な調整を指します。

一部の魚は極地の海で凍結をどのように避けていますか？

それらは、微細な氷の結晶に結合してその成長を止める不凍タンパク質を生成し、これにより魚は、血液が凍結するはずの温度よりも低い水中で凍結せずにいられます。