Thích nghi và điều hòa nhiệt độ

Cách động vật điều chỉnh sinh lý và sinh hóa để đối phó với nhiệt độ môi trường, trong một mùa, suốt đời hoặc theo thời gian tiến hóa.

Definition

Thích nghi nhiệt độ là sự điều chỉnh tiến hóa về sinh lý và sinh hóa của động vật đối với môi trường nhiệt của chúng, trong khi điều hòa nhiệt độ là sự điều chỉnh sinh lý thuận nghịch mà một cá thể thực hiện để đáp ứng với những thay đổi nhiệt độ theo mùa hoặc theo thí nghiệm, cả hai đều nhằm duy trì chức năng trước những thách thức về nhiệt.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cách động vật điều chỉnh nhiệt độ: ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh học, bù trừ trao đổi chất giúp duy trì hiệu suất ở các nhiệt độ khác nhau, thích nghi sinh hóa của enzyme và màng, và các chiến lược chịu lạnh và chịu nhiệt bao gồm chống đông và chịu đóng băng. Nó phân biệt sự điều hòa thuận nghịch trong một cá thể với sự thích nghi tiến hóa giữa các quần thể. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ của các quá trình sinh học như thế nào?
• Động vật duy trì hoạt động như thế nào trong một phạm vi nhiệt độ?
• Các enzyme và màng được điều chỉnh như thế nào để hoạt động ở các nhiệt độ khác nhau?
• Động vật sống sót như thế nào trong điều kiện đóng băng hoặc gần đóng băng?

Key theories

Bù trừ nhiệt độ trao đổi chất

Thông qua sự điều hòa và thích nghi, động vật có thể làm giảm sự phụ thuộc mạnh mẽ của tốc độ sinh học vào nhiệt độ, để hiệu suất của một cá thể hoặc loài ở nhiệt độ thông thường của nó đồng đều hơn so với dự đoán về độ nhạy nhiệt độ thô của các phản ứng.

Thích nghi sinh hóa của protein và màng

Động vật điều chỉnh các biến thể enzyme, nồng độ protein và thành phần lipid màng (thích nghi đẳng độ nhớt) để chức năng xúc tác và độ lỏng của màng vẫn phù hợp ở nhiệt độ hiện hành.

Mechanisms

Vì tốc độ phản ứng hóa học tăng theo nhiệt độ, các quá trình của động vật biến nhiệt tăng tốc khi chúng ấm lên và chậm lại khi chúng nguội đi, được tóm tắt bằng hệ số nhiệt độ. Để bù đắp điều này, động vật điều chỉnh theo thời gian: sự điều hòa làm thay đổi lượng enzyme và con đường trao đổi chất để một động vật đã điều hòa lạnh hoạt động tốt hơn trong điều kiện lạnh so với một động vật đã điều hòa ấm ở cùng nhiệt độ. Ở cấp độ phân tử, các sinh vật biểu hiện các biến thể enzyme phù hợp với nhiệt độ của chúng và điều chỉnh thành phần lipid của màng để giữ độ lỏng không đổi (thích nghi đẳng độ nhớt). Động vật thích nghi lạnh có thể tích lũy protein chống đông hoặc chất hòa tan ngăn chặn hoặc kiểm soát sự hình thành băng, và một số chịu được sự đóng băng của dịch ngoại bào. Động vật chịu nhiệt dựa vào các protein bảo vệ và cấu trúc phân tử ổn định. Những điều chỉnh này bao gồm sự điều hòa thuận nghịch trong suốt cuộc đời và sự thích nghi tiến hóa dài hạn hơn.

Clinical relevance

Các nghiên cứu về thích nghi nhiệt làm rõ cách chức năng tế bào và phân tử được duy trì ở các nhiệt độ khác nhau và là cơ sở cho các ứng dụng như bảo quản lạnh tế bào và mô. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.

History

Công trình của Hochachka và Somero về thích nghi sinh hóa đã xác định cách các enzyme và màng được điều chỉnh theo nhiệt độ, và khám phá của DeVries về glycoprotein chống đông ở cá vùng cực đã tiết lộ một giải pháp phân tử nổi bật cho sự sống trong biển đóng băng, định hình thích nghi nhiệt độ như một vấn đề được giải quyết ở cấp độ phân tử.

Key figures

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

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

Sự thích nghi và điều hòa khác nhau như thế nào?

Thích nghi đề cập đến những điều chỉnh di truyền được hình thành bởi quá trình tiến hóa qua các thế hệ, trong khi điều hòa là một điều chỉnh thuận nghịch mà một cá thể thực hiện trong suốt cuộc đời của nó, chẳng hạn như để đáp ứng với sự thay đổi của các mùa.

Một số loài cá tránh đóng băng ở biển cực như thế nào?

Chúng tạo ra các protein chống đông liên kết với các tinh thể băng nhỏ và ngăn chúng phát triển, cho phép cá không bị đóng băng trong nước lạnh hơn nhiệt độ máu của chúng lẽ ra sẽ đóng băng.