§ 6. Роль тепловых явлений в жизни живых организмов

Определения и обозначения

Теплообмен — передача теплоты между организмом и окружающей средой, а также между частями самого организма. Иными словами, теплота может поступать в тело, уходить из него или перемещаться внутри. Это понятие помогает описать, почему организм нагревается или охлаждается.

Терморегуляция — поддержание организмом относительно постоянной температуры тела. Организм изменяет образование теплоты и скорость её отдачи, чтобы внутренние условия оставались подходящими для жизненных процессов. Благодаря терморегуляции температура тела не обязана совпадать с температурой воздуха.

Теплокровный организм — организм, способный поддерживать почти постоянную температуру тела благодаря внутренней теплопродукции и регуляции теплоотдачи. Теплопродукция — образование теплоты внутри тела при обмене веществ. Такое определение помогает понять, почему птицы и млекопитающие сохраняют активность при разных температурах среды.

Холоднокровный организм — организм, температура тела которого существенно зависит от температуры окружающей среды. Такие животные тоже могут управлять теплообменом, но делают это главным образом поведением, например выбирая солнечное или затенённое место. Поэтому термин описывает зависимость температуры, а не неспособность организма к регуляции.

Как это устроено

Во время жизнедеятельности организм получает энергию из питательных веществ и преобразует её в разные формы. Часть энергии расходуется на движение, рост и работу органов, а часть при превращениях выделяется как теплота. Поэтому чем интенсивнее обмен веществ и мышечная работа, тем больше теплоты обычно образуется в теле. Теплопродукция необходима, но её избыток нужно отводить, чтобы организм не перегревался.

Теплота может переходить от тела к предмету при непосредственном соприкосновении — это теплопроводность. Потоки воздуха или воды уносят нагретые частицы, и происходит конвекция; тело также излучает энергию в виде теплового излучения. Ещё один путь — испарение: молекулам жидкости нужна энергия, чтобы покинуть её и стать газом, поэтому они забирают теплоту у кожи. Направление и скорость теплообмена зависят от разницы температур, движения воздуха, влажности и свойств покровов.

Для теплокровного животного важно равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей. Если тело теряет больше теплоты, чем образует, оно охлаждается; если образует больше, чем отдаёт, — нагревается. В холоде организм может увеличить образование теплоты, а в жару — усилить её отдачу. Поддерживать баланс необходимо, потому что многие процессы в организме эффективно идут только в определённом диапазоне температур.

Теплообмен регулируется несколькими способами. Животное может свернуться, спрятаться от ветра или, наоборот, выйти на солнце; мех, перья и подкожный жир уменьшают потерю теплоты. Кровообращение тоже влияет на отдачу: при расширении сосудов у поверхности кожи она обычно усиливается, а при их сужении уменьшается. Пот и учащённое дыхание помогают отдавать теплоту за счёт испарения, поэтому эти механизмы особенно полезны в жару.

У холоднокровных организмов собственная теплопродукция обычно не обеспечивает постоянную температуру тела. Температура окружающей среды влияет на скорость процессов в организме, поэтому в холоде многие такие животные становятся медлительными, а в тепле активнее двигаются и питаются. Они могут перемещаться между солнцем и тенью, выбирать укрытия и менять время активности. Такое поведение позволяет регулировать температуру, хотя зависимость от внешних условий сохраняется.

Теплообмен и терморегуляция у разных организмов

В таблице сравниваются общие особенности двух групп, а не поведение каждого отдельного вида. Используйте строки, чтобы увидеть, как источник теплоты связан с температурой тела и активностью. Учитывайте, что и теплокровные животные зависят от среды: просто они способны регулировать температуру эффективнее.

Разбор задач

Почему в жару человек потеет и охлаждается?

Условие. Нужно объяснить, почему в жаркую погоду появляется пот и как его испарение помогает снизить температуру тела. Для решения достаточно проследить, куда переходит теплота и что происходит с водой на коже. При этом важно отличать испарение от простого стекания жидкости.

1. В жару разница температур между телом и воздухом уменьшается, поэтому отдавать теплоту окружающей среде становится труднее. Организм усиливает теплоотдачу, выделяя пот на поверхность кожи.
2. Чтобы вода превратилась в пар, её молекулам требуется энергия. Эта энергия забирается у кожи и близких к ней тканей, то есть тело теряет теплоту.
3. Если пот испаряется, охлаждение продолжается; если он просто стекает, такой эффект значительно слабее. Движение воздуха обычно ускоряет испарение и усиливает отдачу теплоты.

Ответ. Человек потеет, чтобы увеличить теплоотдачу. Испаряясь, пот поглощает теплоту кожи и охлаждает тело.

Как изменится температура человека и ящерицы при похолодании?

Условие. Температура окружающей среды понизилась одинаково для человека и ящерицы. Нужно сравнить ожидаемое изменение температуры их тел. Сравнение следует строить не на размере животных, а на различии механизмов терморегуляции.

1. Человек — теплокровный организм: теплота образуется внутри тела при обмене веществ, а теплоотдача регулируется. Поэтому при похолодании температура его тела обычно меняется не так сильно, хотя организму приходится тратить больше энергии на сохранение тепла.
2. Ящерица — холоднокровное животное, температура её тела заметно зависит от температуры среды. При похолодании тело ящерицы тоже охлаждается, если она не переместится в более тёплое место.
3. Снижение температуры тела замедляет многие процессы ящерицы и может уменьшить её активность. Человек также зависит от условий, но его внутренние механизмы терморегуляции обычно лучше противостоят такому изменению.

Ответ. Температура тела человека изменится меньше, чем температура тела ящерицы. Человек увеличит теплопродукцию и изменит теплоотдачу, а ящерица сильнее охладится вместе со средой.

Почему птицы активны зимой, а многие пресмыкающиеся становятся малоподвижными?

Условие. Нужно объяснить разницу в активности птиц и пресмыкающихся в холодное время года. Ответ связан с тем, как температура тела зависит от окружающей среды и откуда организм получает теплоту. Поведение также важно, но само по себе не отменяет различия в теплопродукции.

1. Птицы — теплокровные животные. Обмен веществ обеспечивает внутреннее образование теплоты, а перья уменьшают её потерю, поэтому тело может оставаться тёплым и поддерживать работу мышц.
2. В холоде птица всё равно расходует больше энергии на поддержание температуры. Она может искать пищу и укрытие, а густое оперение помогает сократить теплоотдачу.
3. У многих пресмыкающихся температура тела зависит от среды. Когда становится холодно, их тело охлаждается, процессы идут медленнее и двигательная активность снижается; прогревание на солнце может её повысить.

Ответ. Птицы поддерживают активность за счёт внутренней теплопродукции и покровов, хотя зимой расходуют больше энергии. Многие пресмыкающиеся охлаждаются вместе со средой, поэтому становятся менее активными.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что теплокровные совсем не зависят от температуры окружающей среды. Такое впечатление возникает потому, что температура их тела меняется сравнительно мало. Но в холоде растут затраты энергии, а в жару усиливается теплоотдача; проверь себя вопросом, приходится ли организму менять работу терморегуляции.

Нельзя путать теплопродукцию и теплоотдачу. Первое слово означает образование теплоты внутри организма, а второе — её передачу наружу; путаница возникает из-за того, что оба процесса влияют на температуру тела. Проверь направление изменения: теплопродукция добавляет теплоту, теплоотдача уносит её.

Неверно объяснять охлаждение при испарении только тем, что жидкость исчезает с кожи. При переходе в газ молекулам нужна энергия, и они получают её от тела; это легко проверить, вспомнив, что испарение требует теплоты. Если в объяснении нет поглощения энергии, причина охлаждения не раскрыта.

Холоднокровных животных не следует считать неспособными регулировать температуру. Они часто делают это поведением, переходя в тень, на солнце или в укрытие; ошибку допускают, смешивая ограниченную теплопродукцию с отсутствием всякого контроля. Проверь себя: может ли животное изменить температуру тела, выбрав другое место? Может, но его температура всё равно сильнее зависит от среды.

Связь с другими темами

Для понимания теплообмена пригодятся знания о внутренней энергии, количестве теплоты, теплопроводности, конвекции, излучении и испарении. Связь с биологией раскрывается через обмен веществ, строение кожи, кровообращение и особенности жизнедеятельности животных. Эти знания объясняют, почему поведение и строение покровов помогают организмам приспосабливаться к климату. Позже те же идеи пригодятся при изучении энергетики организма и практических способов сохранения тепла.

Что запомнить

• Жизнедеятельность организма сопровождается образованием и передачей теплоты.
• Теплообмен с окружающей средой происходит несколькими способами теплопередачи.
• Терморегуляция поддерживает температуру тела в пределах, благоприятных для жизненных процессов.
• Теплокровные организмы в значительной степени поддерживают температуру за счёт внутренней теплопродукции.
• Температура тела холоднокровных организмов сильнее зависит от условий окружающей среды.
• Испарение охлаждает организм, потому что на переход жидкости в газ затрачивается теплота.
• Поведение и особенности строения организма помогают регулировать теплообмен.