أسباب تمكن بعض الحيوانات من المحافظة على درجة حرارتها في الأماكن شديدة البرودة



- تستطيع بعض الحيوانات أن تحافظ على درجة حرارتها في الأماكن شديدة البرودة:
بسبب المواد الذائبة في الماء حيث تقل درجة تجمد الماء عند الصفر المئوي في حالة وجود مواد ذائبة فيه.

السؤال الأكثر شيوعًا عن الحيوانات في أنتاركتيكا والقطب الشمالي هو كيف يتعاملون مع ظروف البرد القارس الموجودة هناك؟

متوسط ​​درجات حرارة الهواء أقل من درجة التجمد على مدار العام (عادة أقل من درجة التجمد) مع نطاق في العديد من الأماكن حول -40 درجة مئوية إلى + 10 درجة مئوية (-40 درجة فهرنهايت إلى + 50 درجة فهرنهايت) وارتفاع (لفترة وجيزة ونادرًا) أعلى إلى +22 درجة مئوية (+ 72 درجة فهرنهايت) بين الصخور وبنوك الطحالب.

الكثير من القارة القطبية الجنوبية هي صحراء جليدية باردة لا مثيل لها إلى حد كبير حيث يصعب الوصول إليها فوق درجات الحرارة المتجمدة على الإطلاق.

تتراوح درجة حرارة المحيط المتجمد الجنوبي المحيط بالقارة من -2 درجة مئوية إلى + 2 درجة مئوية (+ 28.4 درجة فهرنهايت إلى + 35.6 درجة فهرنهايت) على مدار العام. تتجمد مياه البحر عند -2 درجة مئوية (+ 28.4 درجة فهرنهايت) لذا لا يمكن أن تصبح باردة ولا تزال ماء.

الطيور والثدييات والفقمة والفقمة في القطب الشمالي والقطب الجنوبي، مثل طيور البطريق، الحيتان، الثعالب والأختام - هي حيوانات ذات دم دافئ وتحتفظ بدرجات حرارة داخلية مماثلة للحيوانات ذات الدم الدافئ في أي منطقة مناخية أخرى - أي 35-42 درجة مئوية (95-107 ° F) اعتمادًا على الأنواع.

عليها الحفاظ على درجات حرارة الجسم العالية ليظلوا نشطين. تُعرف هذه الحيوانات باسم باطن الحرارة (داخل داخلي + حرارة حرارية) لأنها تولد حرارتها داخليًا.

البرد والرياح في المناطق القطبية تعني أن هذه الحرارة يمكن أن تفقد بسرعة كبيرة مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الجسم (نقص درجة الحرارة).

العديد من الحيوانات (غير القطبية) هي otherotherms (خارج- خارج)، مما يعني أنها تولد القليل من الحرارة داخليًا، فهي تعتمد على البيئة الخارجية لتدفئتها إلى مستوى حيث يعمل جسمها والإنزيمات بشكل جيد بما فيه الكفاية بما يكفي لنشاط نشط والحياة الوظيفية.

عادة ما يرفعون درجة حرارتهم بالتشمس في الشمس حتى يصبحوا دافئين بما يكفي ليصبحوا نشطين.

الزواحف والبرمائيات تفعل ذلك في حين أن اللافقاريات عادة ما تكون صغيرة بما يكفي لتكون قادرة على الاحماء بسرعة إلى درجة الحرارة المحيطة من الهواء وحده دون الاستمتاع بضوء الشمس المباشر.

لن يحصل حيوان بري كبير في القطب الشمالي أو في القطب الجنوبي على طاقة كافية بانتظام من المناطق المحيطة ليصبح نشطًا بما فيه الكفاية بمجرد أن يبرد. لذا يجب أن تكون جميع الحيوانات البرية القطبية من أي حجم ذات دم دافئ لتكون نشطة.

البيئة شديدة لدرجة أن حد الحجم في أنتاركتيكا للحرارة الخارجية هو حوالي 13 مم ، وهو حجم أكبر حيوان بري تمامًا في القارة القطبية الجنوبية.

وبعبارة أخرى، أي حيوان أكبر من ذلك لن يكون قادرًا على الاحماء بما يكفي ليصبح نشطًا قبل أن يبدأ في البرودة مرة أخرى.

 الهجرة - الهروب من البرد:
أنتاركتيكا هي كتلة أرضية محاطة بمحيط كبير شديد البرودة ، لذلك على عكس القطب الشمالي، لا يمكن للحيوانات التي تقطن الأرض بحتة أن تهاجر بسهولة من أجل مغادرة القارة في الأشهر الباردة والقاسية والقاتمة الشديدة من الشتاء الأسترالي. أكبر حيوان بري محض موجود في القارة القطبية الجنوبية هو ذبابة لا تطير ولا ينمو طولها أكثر من 13 مم.

جميع الحيوانات الأخرى في القطب الجنوبي إما أصغر من هذا أو تهاجر بقضاء بعض السنة بعيدًا عن أعماق الجنوب والبرد القارس. إنهم إما يسبحون أو يطيرون بعيدًا - ويعودون مرة أخرى.

مثالان على أكبر حيوان بري في القارة القطبية الجنوبية - يجب أن يبقى ذبابة بلجيكا القطبية الطويلة بطول 13 مم في مكانها على مدار السنة.

 لماذا تذهب الحيوانات إلى أنتاركتيكا والقطب الشمالي في المقام الأول؟
سؤال واضح عند رؤية صور الدببة القطبية وطيور البطريق والأختام بين محيطات الجليد المتناثرة أو حقول الثلج والجليد هو لماذا يذهبون إلى هناك في المقام الأول؟

في حين أن كل شيء رائع للغاية ويجعل الصور ومقاطع الفيديو لطيفة، إلا أنه بالكاد يكون مكانًا جذابًا، خاصة إذا لم يكن لديك أي مأوى أو مساعدة خارجية (مثل الحيوانات لا).

الجواب هو أن هناك إمدادات موسمية ضخمة من المواد الغذائية.
نظرًا لارتفاع مياه أعماق المحيطات التي جلبت مستويات عالية من العناصر الغذائية إلى الطبقات السطحية وطول النهار لمدة تصل إلى 24 ساعة ضوئية لأشهر متتابعة اعتمادًا على خط العرض الذي ينتج عنه التمثيل الضوئي المستمر.
المحيط الجنوبي على وجه الخصوص منتج بشكل استثنائي.

تبدأ هذه الإنتاجية بالعوالق النباتية، والنمو المجهري سريع النمو وإعادة إنتاج النباتات التي تعيش في الطبقة العليا من المحيط.

تؤكل هذه العوالق الحيوانية خاصة الكريل في القطب الجنوبي من أنواع مختلفة من Euphausia، وخاصة Euphausia superba.

هناك ملايين الأطنان من الأطعمة المحتملة في المحيط المتجمد الجنوبي إذا كنت قادرًا على الإمساك بها ومعالجتها بكفاءة.

يمكن للحيتان الزرقاء الكبيرة الإمساك بها وتناول 4 أطنان أو أكثر من الكريل يوميًا لأسابيع متتالية في أشهر الصيف، فهي جيدة في صيد الأشياء.

الحفاظ على الدفء في الهواء والماء:
الماء له موصلية حرارية أكبر بحوالي 25 مرة من الهواء عندما يكون ثابتًا، مع حركة الماء وتيارات الحمل الحراري، يمكن أن يكون هذا أكبر من 50 إلى 100 مرة من الهواء.
هذا يعني أنك تفقد الحرارة بشكل أسرع في الماء من الهواء، والذي ربما كنت تعرفه بالفعل.

هناك مستوى يسمى "درجة حرارة مميتة أقل" وهي درجة الحرارة التي يموت فيها الكائن الحي. لم يتم قياس درجة الحرارة في الماء أبدًا للثدييات مثل الفقمة والحيتان في القطب الجنوبي لأنه لا يمكن قياسها.

حتى المياه الباردة (-2 درجة مئوية) لا تؤدي إلى الموت مما يعني أن هذه الحيوانات يمكن أن تعيش إلى أجل غير مسمى في المياه الباردة الباردة دون أن تعاني من انخفاض حرارة الجسم.

تتشابه درجة حرارة سطح الحيتان والأختام مع الجلد المحيط تقريبًا بالمياه المحيطة، على الرغم من أن عمقها يساوي 50 ملم تحت الجلد، فإن درجة الحرارة هي نفسها درجة الحرارة الأساسية.

ويرجع ذلك إلى الخصائص العازلة لطبقة من الدهون (الدهون) تحت الجلد. يعزل النحل في الماء ، ويعزل الفراء والريش في الهواء.

غالبًا ما ترتفع درجة حرارة جلد الأختام في الهواء حيث تحتاج إلى فقدان الحرارة نظرًا لأن الهواء أقل جودة في تقليل درجة الحرارة.

يتم تزويد الجلد جيدًا بالأوعية الدموية التي يمكن أن تحول الدم إلى السطح أو عميقًا من خلال انقباض أو استرخاء العضلات الصغيرة التي تغلق أو تفتح التدفق عبر الأوعية الدموية.

طيور البطريق والأختام والحيتان تحتوي على زعانف وحشوات (تسمى ذيول الحيتان برقائق) بدون انتفاخ معزول بشكل سيء على الرغم من أنه مزود جيدًا بالأوعية الدموية، ويمكن أيضًا استخدامها لفقدان الحرارة عند الحاجة.

عندما يكون من الضروري الاحتفاظ بالحرارة، تعمل الشرايين التي تحيط بها الأوردة "كمبادلات حرارة معاكسة للتيار" لضمان أن الدم من الجسم يسخن الدم العائد من الزعانف، وبالتالي الاحتفاظ بالحرارة في القلب وتقليل فقدان الحرارة من خلال الزعنفة أو الحظيرة.

لدى الطيور مبادلات حرارة مماثلة للتيار المعاكس في أرجلها حتى لا تفقد الحرارة عند السباحة في مياه شديدة البرودة.

مثل الأختام والحيتان، تكون العضلات المطلوبة لتشغيلها أعمق في الأجزاء الدافئة من الجسم والحركات التي تتم عبر الأوتار الشبيهة بالحبل.

 كيف تبقى الحيوانات ذات الدم الدافئ بهذه الطريقة - الحرارة الداخلية والبرد:

القدرة على توليد الحرارة الخاصة بك من الداخل والحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم تتطلب شيئين:
1- تناول ما يكفي من الطاقة كغذاء لتوليد الحرارة.
2- التكيفات التشريحية والفسيولوجية والسلوكية للاحتفاظ بالحرارة المتولدة.

هذان الاثنان مرتبطان بإحكام ، ما لم تتمكن من رفع درجة الحرارة والحفاظ عليها، لا يمكنك أن تكون نشطًا بما يكفي لجمع الطعام ، لذلك لا توجد أي حيوانات برية كبيرة بدم بارد في المناطق القطبية ، بمجرد البرودة لن يسخنوا مرة أخرى بما يكفي مرة أخرى.

كيف تبقى الدفء (الحيوانات ذات الدم الدافئ) دافئة في البرودة الشديدة؟

Endotherm - حيوان يولد حرارة من الداخل بواسطة نشاط التمثيل الغذائي (بدم دافئ).

- الأهم من ذلك، يجب أن تكون كبيرًا لتقليل فقدان الحرارة من جلدك، حتى الحيوانات الصغيرة في القطب الجنوبي لا تزال كبيرة جدًا مقارنة بأقاربها الأكثر اعتدالًا في المناخ. يجب أن تكون هناك مساحة سطح منخفضة إلى نسبة حجم ، الكثير من الحجم، مساحة سطح صغيرة.

- الأطراف تميل إلى أن تكون صغيرة لمنع فقدان الحرارة غير المبرر (الشيء نسبة حجم مساحة السطح مرة أخرى).

- تحتاج إلى أن تكون معزولًا جيدًا، داخليًا مباشرة تحت الجلد مع الدهون المخزنة (دهن الجلد) وخارجيًا مع الفراء (أفضل عزل للجميع، على الرغم من أنه ليس جيدًا عند الرطب) أو الريش.

- تناول الكثير من الطاقة العالية التي يسهل هضم الطعام لتوليد الدفء من الداخل. جميع الحيوانات الكبيرة (من أصغر الطيور إلى أعلى) في القارة القطبية الجنوبية هي آكلات اللحوم. اللحم هو مصدر غذائي للطاقة أكثر تركيزًا من المواد النباتية التي لا تنمو بشكل جيد جدًا أو على نطاق واسع جدًا في القارة القطبية الجنوبية باستثناء العوالق الصغيرة في البحار التي تتطلب التخصص الشديد للتجمع.

الإمدادات الغذائية هي المشكلة الرئيسية، لا تستطيع الحيوانات الصغيرة تناول ما يكفي للتدفئة في البرد القارس، فهي تفقد الحرارة بشكل أسرع مما يمكنها استبداله عن طريق إطلاق الطاقة من الطعام.

العواشب القطبية الجنوبية هي العوالق الحيوانية، وخاصة الكريل، وهي حيوانات صغيرة ذات دم بارد وبالتالي تحول الطاقة في العوالق النباتية إلى لحوم أكثر فعالية مما لو كانت ذات دم دافئ.

- يعد التجميع معًا في مجموعات كبيرة أو صغيرة طريقة جيدة للحصول على الحماية من الرياح والحفاظ على الدفء.

التأثير مشابه للعديد من الحيوانات المتكدسة التي لديها مساحة سطح أقل لحيوان أكبر.
على سبيل المثال بطاريق الإمبراطور.

- الحيتان والدلافين - لا تغادر البحر أبدًا، لذلك لا يتعرضون إلا لقلة شديدة من درجات حرارة الهواء، ثم يهاجرون شمالًا عندما تنخفض درجة حرارة الهواء بما يكفي لتجميد البحر.

- يدخل البحر في أوقات درجات حرارة الهواء شديدة البرودة والرياح الشديدة، ثم يهاجر شمالًا عندما تنخفض درجة حرارة الهواء بما يكفي لبدء تجميد البحر.

- المبادلات الحرارية ذات التيار المعاكس في الزعانف والقدمين تعني أن هذه الأجزاء يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة أقل من بقية الجسم لتقليل فقدان الحرارة، ويتم تبريد الدم عندما يدخل ويسخن عندما يترك الزعنفة أو القدم.

 العلاجات الباردة والبرد - النشاط بدم بارد:
Ectotherm من الحيوانات التي تحصل على حرارة من البيئة الخارجية (خارج - خارج)، لا يمكنها توليد طاقة كافية من عمليات التمثيل الغذائي الداخلية للحفاظ على استقرار درجة حرارة الجسم.

يمكن للسخونة الإحمائية أن ترتفع عن طريق التشمس (كما تفعل معظم الزواحف على سبيل المثال) يتم تحديد نشاطها من خلال درجة الحرارة الخارجية، عندما تصبح أكثر برودة، فإنها تتباطأ في النهاية لتصبح خاملة (خاملة أو غير نشطة).

لا توجد زواحف أو برمائيات في القارة القطبية الجنوبية وعدد قليل جدًا من اللافقاريات الأرضية مقارنة ببقية العالم، فهي القارة الوحيدة التي لا يوجد بها النمل على سبيل المثال. ربما يكون هذا هو المكان الوحيد الذي يتعين عليك فيه الذهاب بنشاط بحثًا عن زحف مخيف، وتبدو صعبًا أيضًا.

أكبر حيوان بري حقيقي في القارة القطبية الجنوبية هو ذبابة بلا أجنحة طولها حوالي 13 مم، وهذه اللافقاريات المماثلة الأخرى غير نشطة لفترة طويلة من الوقت.

عندما تشرق الشمس وتدفئها (أو بالأحرى محيطها حيث سيتم إخفاؤها في مكان ما)، فإنها تصبح نشطة لعدة ساعات طالما تظل درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي، وتبرد حتى تحت درجة التجمد عندما تصبح أكثر برودة.

نظرًا لصغر حجمها، يمكن أن يتم تسخينها سريعًا، إذا كانت أكبر، لما كانت لتسخين درجة الحرارة النشطة قبل أن تبدأ درجة الحرارة الخارجية في الانخفاض مرة أخرى.

هذه الحيوانات لها حياة توقف تعتمد على درجة الحرارة ، ويمكن أن يستمر جزء التوقف لأيام أو أسابيع أو أشهر، ويمكن أن يكون جزء الذهاب بضع ساعات فقط.

يعيشون داخل وبين الصخور والطحالب وغيرها من النباتات. إذا كانت أكبر أو إذا خرجت إلى العراء، فستكون فريسة سهلة للطيور، خاصة إذا انخفضت درجة الحرارة مما تسبب في إبطائها بينما يمكن للحيوانات ذات الدم الدافئ أن تظل نشطة.

البحر:

المحيط المتجمد الجنوبي بارد ولكن درجة الحرارة مستقرة للغاية وتتراوح بين -2 درجة مئوية و + 2 درجة مئوية (+ 28.4 درجة فهرنهايت - + 35.6 درجة فهرنهايت) على مدار العام.

يمكن أن ينخفض ​​إلى ما يقرب من -2 درجة مئوية (في الواقع -1.9 درجة مئوية) قبل أن يتجمد لأن الملح المذاب يقلل من نقطة التجمد لمياه البحر.

ظل المحيط المتجمد الجنوبي عند درجة الحرارة هذه لما يقرب من 20 مليون سنة، مما يمنح الكثير من الوقت للنباتات والحيوانات التي تعيش هناك لتتكيف مع الحياة في درجات الحرارة التي تتسبب في إبطاء معظم الحيوانات المائية ببساطة إلى حالة قرب العسر (أو تعليقها) حيوية).

إن قدرتهم على القيام بذلك يرجع إلى وجود أنظمة إنزيم متكيفة ومتخصصة بدرجة حرارة باردة للغاية، والعديد من الأنواع البحرية في القطب الجنوبي نشطة عند درجة حرارة 0 درجة مئوية مثل نظيراتها المعتدلة عند 20 درجة مئوية.

قم بتبريد الأنواع المعتدلة وتوقفها فعليًا - مهما كانت درجة حرارة الأنواع القطبية الجنوبية ، وسرعان ما يبدأون في المعاناة، ويجدون الحياة عند درجة حرارة أعلى من 5 درجات مئوية ومن المحتمل أن يموتوا بعد ذلك بفترة وجيزة قبل الوصول إلى 20 درجة مئوية.

تحتوي العديد من أنواع أسماك أنتاركتيكا على مضاد للتجمد في دمائها، وليس ضد درجة الحرارة في حد ذاتها مقارنة بلمس الثلج الذي يمكن أن يؤدي في درجات حرارة منخفضة إلى نواة تجعل الجليد ينتشر عبر أجسامهم المبردة.

هذه المواد المضادة للتجمد هي جزيئات بروتين سكري كبيرة تحيط بأي بلورات جليدية صغيرة قد تتشكل، وبالتالي تمنع انتشارها في جميع أنحاء أنسجة الحيوانات مما يعني الموت. كما أنها توفر وسادة صغيرة لنهاية بلورات الثلج الحادة بحيث تقل احتمالية ثقب الأغشية الخلوية.

من المثير للاهتمام أن الأسماك الوحيدة التي من المحتمل أن تواجه الجليد لديها هذه المواد المضادة للتجمد، والأسماك الحية الأعمق تحت مستوى الجليد العائم ليس لديها مانع للتجمد، وبعضها لديه نقطة تجمد أعلى من مياه البحر التي يعيشون فيها، ويجب أن تكون مجمدة حقًا.

إنهم يقضون حياتهم كلها في حالة من "البرودة الفائقة"، أي في درجة حرارة أقل من درجة حرارة التجمد.
يمكنهم القيام بذلك لأنهم لا يتلامسون مع بلورات الثلج ، يتم العثور على الجليد فقط في الروافد العليا.

إذا تم إحضار هذه الأسماك إلى السطح حيث يمكن أن تتلامس مع الجليد، فسوف يتسبب الجليد في نقطة تنوي تنتشر في أجسامهم مما يسبب التجميد الفوري والموت.

كلمات:

هناك العديد من الكلمات المستخدمة لوصف قدرة الحيوانات على الحفاظ على درجة حرارة جسمها. يتم استخدام بعضها بشكل غير متكرر هذه الأيام ولكن لا تزال تستخدم في وقت أو آخر.

الفرق الأساسي هو بين الحيوانات مثل الطيور والثدييات التي تحافظ على درجة حرارة قلب ثابتة تبلغ حوالي 35-42 درجة مئوية بغض النظر عن درجة الحرارة البيئية وتلك التي تكون درجة حرارتها متغيرة، مما يعكس درجة الحرارة البيئية بشكل أوثق.

السبب في أن التسمية ليست مباشرة هو أن هناك حيوانات ترفض الجلوس بشكل نظيف في إحدى الفئتين الواضحتين.

من الواضح أن بعض الكائنات الحية لم تقرأ القواعد، وفي بعض الأحيان تجعل أجزاء منها أكثر دفئًا من الأجزاء الأخرى بصرف النظر عن درجة الحرارة المحيطة أو تمكنت من الحفاظ على درجة حرارة داخلية مستقرة دون توليد هذه الحرارة داخليًا بالضرورة.

ذوات الدم الحار - الحيوانات التي تحافظ على درجة حرارة قلب مستقرة مستقرة حوالي 35-42 درجة مئوية، درجة الحرارة تعتمد على الأنواع ودقيقة للغاية في كثير من الأحيان، فهي 37 درجة مئوية في البشر، أكثر أو أقل بقليل ستسبب لنا مشاكل كبيرة.

Endotherm حيوانات تولد الحرارة من الداخل من خلال النشاط الأيضي، وهذا يعني عادة أنها تستطيع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة مستقرة حوالي 35-42 درجة مئوية.

يمكن للمصطلح أيضًا أن يطبق بعض الوقت على الأسماك مثل التونة القادرة على الحفاظ على عضلات السباحة النشطة عند 20 درجة مئوية أو أعلى من درجة حرارة باقي الجسم عن طريق المبادلات الحرارية ذات التيار المعاكس في الدورة الدموية.

وهذا يحافظ على دفء عضلات السباحة حتى تعمل بشكل أفضل وتمنع فقدان الحرارة لبقية الجسم.

- Homeotherm: حرارة متساوية، حيوان، يحافظ على درجة حرارة ثابتة للجسم.

- الدم البارد: الحيوانات التي لديها درجة حرارة الجسم مثل درجة الحرارة البيئية وغير قادرة على تسخينها فوق هذا، وليس بالضرورة باردًا بالفعل إذا كانت درجة الحرارة الخارجية مرتفعة.

- Ectotherm: حيوانات لا تستطيع توليد طاقة كافية من عمليات التمثيل الغذائي الداخلية للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم، فإن معظم الحرارة لتسخينها تأتي من خارج الحيوان.

- Poikiliotherm: حيوان تختلف درجة حرارته الداخلية إلى حد كبير (لم يعد هناك مصطلح مستخدم).

- Heliotherm: كائن حي يسخن نفسه بالتشمس في أشعة الشمس المباشرة.

- Heterotherm: غيره، حرارة حرارية، حيوان يختلف في درجة حرارة جسمه في أوقات مختلفة.

من الممكن أن يتم تطبيق أكثر من واحد من هذه الشروط على حيوان معين في أوقات مختلفة، والتي يمكن أن تكون يومية أو سنوية.