Температурная адаптация и акклиматизация

Как животные приспосабливают свою физиологию и биохимию к температуре окружающей среды в течение сезона, жизни или эволюционного времени.

Definition

Температурная адаптация — это эволюционная перестройка физиологии и биохимии животного к его термической среде, тогда как акклиматизация — это обратимая физиологическая перестройка, которую особь осуществляет в ответ на сезонные или экспериментальные изменения температуры, обе служат для поддержания функций в условиях термических вызовов.

Scope

Эта тема охватывает способы приспособления животных к температуре: влияние температуры на биологические скорости, метаболическую компенсацию, которая сглаживает производительность в различных температурных условиях, биохимическую адаптацию ферментов и мембран, а также стратегии холодо- и теплоустойчивости, включая антифриз и устойчивость к замерзанию. Различаются обратимая акклиматизация внутри особи и эволюционная адаптация в популяциях. Охват является сравнительным и механистическим.

Core questions

• Как температура влияет на скорость биологических процессов?
• Как животные сохраняют работоспособность в различных температурных условиях?
• Как ферменты и мембраны приспосабливаются для функционирования при разных температурах?
• Как животные выживают в условиях замерзания или близких к замерзанию?

Key theories

Метаболическая температурная компенсация

Благодаря акклиматизации и адаптации животные могут ослаблять сильную зависимость биологических скоростей от температуры, так что производительность особи или вида при ее обычной температуре становится более равномерной, чем предсказывала бы исходная температурная чувствительность реакций.

Биохимическая адаптация белков и мембран

Животные регулируют варианты ферментов, концентрации белков и липидный состав мембран (гомеовязкостная адаптация) таким образом, чтобы каталитическая функция и текучесть мембран оставались адекватными при преобладающей температуре.

Mechanisms

Поскольку скорость химических реакций возрастает с температурой, процессы у эктотерм ускоряются при нагревании и замедляются при охлаждении, что суммируется температурным коэффициентом. Чтобы компенсировать это, животные приспосабливаются со временем: акклиматизация изменяет количество ферментов и метаболические пути таким образом, что холодно-акклиматизированное животное функционирует лучше на холоде, чем тепло-акклиматизированное при той же температуре. На молекулярном уровне организмы экспрессируют варианты ферментов, подходящие для их температуры, и изменяют липидный состав мембран для поддержания постоянной текучести (гомеовязкостная адаптация). Холодно-адаптированные животные могут накапливать антифризные белки или растворенные вещества, которые предотвращают или контролируют образование льда, а некоторые переносят замерзание своих внеклеточных жидкостей. Теплоустойчивые животные полагаются на защитные белки и стабильные молекулярные структуры. Эти приспособления охватывают обратимую прижизненную акклиматизацию и долгосрочную эволюционную адаптацию.

Clinical relevance

Исследования термической адаптации проясняют, как поддерживается клеточная и молекулярная функция в различных температурных условиях, и лежат в основе таких применений, как криоконсервация клеток и тканей. Данная статья является образовательным справочным материалом и не предоставляет медицинских рекомендаций.

History

Работы Хохачки и Сомеро по биохимической адаптации установили, как ферменты и мембраны настраиваются на температуру, а открытие ДеВрисом антифризных гликопротеинов у полярных рыб выявило поразительное молекулярное решение для жизни в замерзающих морях, представляя температурную адаптацию как проблему, решаемую на молекулярном уровне.

Key figures

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

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

В чем разница между адаптацией и акклиматизацией?

Адаптация относится к унаследованным приспособлениям, сформированным эволюцией на протяжении поколений, тогда как акклиматизация — это обратимое приспособление, которое особь осуществляет в течение своей жизни, например, в ответ на смену сезонов.

Как некоторые рыбы избегают замерзания в полярных морях?

Они производят антифризные белки, которые связываются с крошечными кристаллами льда и останавливают их рост, позволяя рыбе оставаться незамерзшей в воде, которая в противном случае привела бы к замерзанию ее крови.