การปรับตัวและการปรับสภาพตามอุณหภูมิ

สัตว์ปรับสรีรวิทยาและชีวเคมีอย่างไรเพื่อรับมือกับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม ไม่ว่าจะเป็นตามฤดูกาล ตลอดช่วงชีวิต หรือในระยะเวลาวิวัฒนาการ

Definition

การปรับตัวตามอุณหภูมิคือการปรับทางวิวัฒนาการของสรีรวิทยาและชีวเคมีของสัตว์ให้เข้ากับสภาพแวดล้อมทางความร้อน ในขณะที่การปรับสภาพคือการปรับทางสรีรวิทยาที่ผันกลับได้ซึ่งแต่ละบุคคลทำเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามฤดูกาลหรือจากการทดลอง โดยทั้งสองอย่างนี้มีจุดประสงค์เพื่อรักษาสมรรถนะเมื่อเผชิญกับความท้าทายทางความร้อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวิธีการที่สัตว์ปรับตัวเข้ากับอุณหภูมิ: ผลกระทบของอุณหภูมิต่ออัตราทางชีวภาพ, การชดเชยเมแทบอลิซึมที่ช่วยรักษาสมรรถนะในอุณหภูมิที่แตกต่างกัน, การปรับตัวทางชีวเคมีของเอนไซม์และเยื่อหุ้มเซลล์, และกลยุทธ์ในการทนต่อความเย็นและความร้อน รวมถึงสารป้องกันการแข็งตัวและการทนต่อการแข็งตัว หัวข้อนี้แยกความแตกต่างระหว่างการปรับสภาพที่ผันกลับได้ภายในตัวบุคคลกับการปรับตัวเชิงวิวัฒนาการในประชากร เนื้อหาเป็นการเปรียบเทียบและกลไกการทำงาน

Core questions

• อุณหภูมิส่งผลต่ออัตราของกระบวนการทางชีวภาพอย่างไร?
• สัตว์สามารถดำรงสมรรถนะได้อย่างไรในอุณหภูมิที่หลากหลาย?
• เอนไซม์และเยื่อหุ้มเซลล์ถูกปรับให้ทำงานในอุณหภูมิที่แตกต่างกันได้อย่างไร?
• สัตว์รอดชีวิตจากสภาพที่เยือกแข็งหรือใกล้จุดเยือกแข็งได้อย่างไร?

Key theories

การชดเชยอุณหภูมิเมแทบอลิซึม

ผ่านการปรับสภาพและการปรับตัว สัตว์สามารถลดการพึ่งพาอุณหภูมิอย่างมากของอัตราทางชีวภาพได้ เพื่อให้สมรรถนะของแต่ละบุคคลหรือสายพันธุ์ที่อุณหภูมิปกติมีความสม่ำเสมอมากกว่าที่ความไวต่ออุณหภูมิของปฏิกิริยาจะคาดการณ์ได้

การปรับตัวทางชีวเคมีของโปรตีนและเยื่อหุ้มเซลล์

สัตว์ปรับเปลี่ยนเอนไซม์ชนิดต่างๆ ความเข้มข้นของโปรตีน และองค์ประกอบไขมันของเยื่อหุ้มเซลล์ (การปรับตัวแบบโฮมีโอวิสคัส) เพื่อให้การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาและความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์ยังคงเหมาะสมกับอุณหภูมิที่แพร่หลาย

Mechanisms

เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ กระบวนการของสัตว์เลือดเย็นจึงเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและช้าลงเมื่ออุณหภูมิต่ำลง ซึ่งสรุปได้ด้วยสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เพื่อชดเชยสิ่งนี้ สัตว์จะปรับตัวเมื่อเวลาผ่านไป: การปรับสภาพจะเปลี่ยนแปลงปริมาณเอนไซม์และวิถีเมแทบอลิซึม เพื่อให้สัตว์ที่ปรับสภาพกับความเย็นทำงานได้ดีกว่าในสภาพอากาศเย็นเมื่อเทียบกับสัตว์ที่ปรับสภาพกับความร้อนที่อุณหภูมิเดียวกัน ในระดับโมเลกุล สิ่งมีชีวิตจะแสดงออกถึงเอนไซม์หลากหลายชนิดที่เหมาะสมกับอุณหภูมิของพวกมัน และปรับเปลี่ยนองค์ประกอบไขมันของเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อรักษาความลื่นไหลให้คงที่ (การปรับตัวแบบโฮมีโอวิสคัส) สัตว์ที่ปรับตัวกับความเย็นอาจสะสมโปรตีนป้องกันการแข็งตัวหรือสารละลายที่ป้องกันหรือควบคุมการก่อตัวของน้ำแข็ง และบางชนิดสามารถทนต่อการแข็งตัวของของเหลวนอกเซลล์ได้ สัตว์ที่ทนความร้อนจะอาศัยโปรตีนป้องกันและโครงสร้างโมเลกุลที่เสถียร การปรับตัวเหล่านี้ครอบคลุมตั้งแต่การปรับสภาพที่ผันกลับได้ภายในช่วงชีวิตไปจนถึงการปรับตัวเชิงวิวัฒนาการในระยะยาว

Clinical relevance

การศึกษาเกี่ยวกับการปรับตัวทางความร้อนช่วยให้เข้าใจว่าการทำงานของเซลล์และโมเลกุลถูกรักษาไว้ได้อย่างไรในอุณหภูมิที่แตกต่างกัน และเป็นพื้นฐานสำหรับการประยุกต์ใช้ เช่น การเก็บรักษาเซลล์และเนื้อเยื่อด้วยความเย็น บทความนี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์

History

ผลงานของ Hochachka และ Somero เกี่ยวกับการปรับตัวทางชีวเคมีได้แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์และเยื่อหุ้มเซลล์ถูกปรับให้เข้ากับอุณหภูมิได้อย่างไร และการค้นพบไกลโคโปรตีนป้องกันการแข็งตัวในปลาขั้วโลกของ DeVries ได้เผยให้เห็นวิธีแก้ปัญหาในระดับโมเลกุลที่น่าทึ่งสำหรับการดำรงชีวิตในทะเลน้ำแข็ง ซึ่งเป็นการวางกรอบการปรับตัวตามอุณหภูมิว่าเป็นปัญหาที่ได้รับการแก้ไขในระดับโมเลกุล

Key figures

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

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการปรับตัว (adaptation) และการปรับสภาพ (acclimatization) คืออะไร?

การปรับตัว (adaptation) หมายถึงการปรับเปลี่ยนที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมซึ่งเกิดจากวิวัฒนาการข้ามรุ่น ในขณะที่การปรับสภาพ (acclimatization) คือการปรับเปลี่ยนที่ผันกลับได้ซึ่งแต่ละบุคคลทำขึ้นภายในช่วงชีวิตของตนเอง เช่น เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของฤดูกาล

ปลาบางชนิดหลีกเลี่ยงการแข็งตัวในทะเลขั้วโลกได้อย่างไร?

พวกมันผลิตโปรตีนป้องกันการแข็งตัวที่จับกับผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กและหยุดการเจริญเติบโตของผลึกเหล่านั้น ทำให้ปลายังคงไม่แข็งตัวในน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของเลือดปลา