Введение

Эндотерм (от греческого ἔνδον – endon «внутри» и θέρμη – thermē «тепло») – это организм, поддерживающий температуру своего тела на метаболически благоприятном уровне главным образом за счет тепла, выделяемого внутренними физиологическими процессами, а не полагаясь преимущественно на тепло окружающей среды. Это внутреннее тепло является в основном побочным продуктом обычного метаболизма животного, но в условиях сильного холода или низкой активности эндотерм может использовать специальные механизмы, предназначенные для выработки тепла. К ним относятся специальные мышечные сокращения, такие как дрожь, и раскопряженный окислительный метаболизм, например, в бурой жировой ткани. Только птицы и млекопитающие являются повсеместно существующими эндотермическими группами животных. Однако эндотермическими также являются аргентинские черно-белые тегу, кожистые морские черепахи, акулы-ламниды, тунцы и рыбы-парусники, цикады и зимние мотыльки. В отличие от млекопитающих и птиц, некоторые рептилии, особенно некоторые виды питонов и тегу, обладают сезонной репродуктивной эндотермией, проявляя эндотермию только в период размножения. В обиходе эндотермов характеризуют как «теплокровных». Противоположностью эндотермии является эктотермия, хотя в целом не существует абсолютной или четкой границы между эндотермией и эктотермией.

Происхождение

Эндотермия, как полагают, возникла к концу пермского периода. Одно из недавних исследований утверждает, что происхождение эндотермии в пределах Synapsida (линии млекопитающих) относится к Mammaliamorpha, узлу, датированному поздним триасовым периодом, примерно 233 миллиона лет назад. Другое исследование, напротив, утверждает, что эндотермия появилась позже, в средней юре, у представителей группы crown group mammals. Свидетельства эндотермии были обнаружены у базальных синапсид («пеликозавров»), парейзавров, ихтиозавров, плезиозавров, мозазавров и базальных археозавроморфов. Даже самые ранние амниоты могли быть эндотермами. В состоянии покоя человеческое тело вырабатывает около двух третей тепла посредством метаболизма во внутренних органах грудной клетки и брюшной полости, а также в мозге. Мозг генерирует около 16% всего тепла, производимого организмом. Потеря тепла представляет серьезную угрозу для мелких существ, поскольку у них большее отношение площади поверхности к объему. У небольших теплокровных животных есть теплоизоляция в виде меха или перьев. У водных теплокровных животных, таких как тюлени, обычно есть толстые слои подкожного жира и шерсть, если она присутствует; оба фактора способствуют их теплоизоляции. У пингвинов есть и перья, и жир. Перья пингвинов чешуевидные и служат как для теплоизоляции, так и для обтекаемости. Эндотермы, обитающие в очень холодных условиях или в условиях, способствующих потере тепла, например, в полярных водах, как правило, имеют специализированные структуры кровеносных сосудов в конечностях, которые действуют как теплообменники. Вены расположены рядом с артериями, наполненными теплой кровью. Часть тепла из артерий передается холодной крови и возвращается обратно в туловище. Птицы, особенно кулики, часто обладают хорошо развитыми механизмами теплообмена в ногах — у императорских пингвинов они являются частью адаптаций, позволяющих им проводить месяцы на антарктическом зимнем льду. В ответ на холод многие теплокровные животные также уменьшают приток крови к коже за счет вазоконстрикции, чтобы снизить потерю тепла. В результате они бледнеют.

Избегайте перегрева

В экваториальных климатах и в течение тёплого времени года перегрев (гипертермия) представляет такую же опасность, как и переохлаждение. В жарких условиях многие теплокровные животные увеличивают теплоотдачу посредством учащённого дыхания, которое охлаждает организм за счёт усиления испарения воды из дыхательных путей, и/или за счёт прилива крови к коже, что способствует рассеиванию тепла в окружающую среду. Бесшёрстные и короткошёрстные млекопитающие, включая людей и лошадей, также потеют, поскольку испарение воды из пота отводит тепло. Слоны охлаждаются, используя свои огромные уши как радиаторы. Уши у них тонкие, кровеносные сосуды расположены близко к поверхности кожи, и взмахивание ушами для увеличения воздушного потока приводит к охлаждению крови, что снижает температуру тела при её циркуляции по кровеносной системе.

Плюсы и минусы эндотермического метаболизма

Основным преимуществом эндотермии над эктотермией является снижение уязвимости к колебаниям внешней температуры. Независимо от местоположения (и, следовательно, внешней температуры), эндотермия поддерживает постоянную температуру ядра для оптимальной активности ферментов. Эндотермы контролируют температуру тела посредством внутренних гомеостатических механизмов. У млекопитающих в терморегуляции участвуют два отдельных гомеостатических механизма: один повышает температуру тела, а другой – снижает ее. Наличие двух отдельных механизмов обеспечивает очень высокую степень контроля. Это важно, поскольку температуру ядра млекопитающих можно контролировать, приближая ее максимально к оптимальной температуре для активности ферментов. Общая скорость метаболизма животного увеличивается примерно в два раза при каждом повышении температуры, что ограничивается необходимостью избегать гипертермии. Эндотермия не обеспечивает большей скорости передвижения, чем эктотермия (холоднокровность) – эктотермические животные могут двигаться так же быстро, как теплокровные животные того же размера и телосложения, когда эктотерм находится вблизи или при оптимальной температуре, но часто не могут поддерживать высокую метаболическую активность так долго, как эндотермы. Эндотермические/гомеотермические животные могут быть оптимально активны в большее количество периодов суточного цикла в местах с резкими колебаниями температуры между днем и ночью и в течение большей части года в местах с большими сезонными различиями температуры. Это сопровождается необходимостью тратить больше энергии на поддержание постоянной внутренней температуры и повышенной потребностью в пище. Эндотермия может быть важна в период размножения, например, для расширения температурного диапазона, в котором вид может размножаться, поскольку эмбрионы, как правило, не переносят колебания температуры, которые взрослые особи переносят легко. Эндотермия также может обеспечивать защиту от грибковых инфекций. В то время как десятки тысяч видов грибков заражают насекомых, лишь несколько сотен поражают млекопитающих, и часто только тех, у кого ослаблен иммунитет. Недавнее исследование показывает, что грибы в принципе не приспособлены к жизни при температурах, характерных для млекопитающих. Высокие температуры, обеспечиваемые эндотермией, могли предоставить эволюционное преимущество. Эктотермы повышают температуру тела в основном за счет внешних источников тепла, таких как энергия солнечного света, и, следовательно, зависят от условий окружающей среды для достижения рабочей температуры тела. Эндотермические животные в основном используют внутреннее теплообразование посредством метаболически активных органов и тканей (печень, почки, сердце, мозг, мышцы) или специализированных тканей, производящих тепло, таких как бурая жировая ткань (БАТ). В целом, эндотермы, следовательно, имеют более высокие скорости метаболизма, чем эктотермы при одинаковой массе тела. Как следствие, им также требуется более высокий уровень потребления пищи, что может ограничивать численность эндотермов в большей степени, чем эктотермов. Поскольку эктотермы зависят от условий окружающей среды для регулирования температуры тела, они обычно более вялы ночью и утром, когда они покидают свои укрытия, чтобы согреться на первых лучах солнца. Поэтому фуражировочная активность ограничивается дневным временем (суточными моделями активности) у большинства позвоночных эктотермов. Например, у ящериц известно лишь несколько ночных видов (например, многие гекконы), и они в основном используют стратегии фуражировки типа «сидеть и ждать», которые могут не требовать такой высокой температуры тела, как необходимо для активного поиска пищи. Таким образом, эндотермические виды позвоночных менее зависимы от условий окружающей среды и развили высокую изменчивость (как внутри видов, так и между видами) в своих суточных моделях активности. Считается, что эволюция эндотермии была решающей в развитии разнообразия видов эутерийных млекопитающих в мезозойскую эру. Эндотермия дала ранним млекопитающим возможность быть активными в ночное время, сохраняя при этом небольшие размеры тела. Адаптации в фоторецепции и потеря УФ-защиты, характеризующие современных эутерийных млекопитающих, понимаются как адаптации к изначально ночному образу жизни, что позволяет предположить, что группа прошла через эволюционное «узкое место» (гипотеза ночного «узкого места»). Это могло позволить избежать давления хищников со стороны дневных рептилий и динозавров, хотя некоторые хищные динозавры, будучи также эндотермическими, могли адаптироваться к ночному образу жизни, чтобы охотиться на этих млекопитающих.

Факультативная эндотермия

Многие виды насекомых способны поддерживать температуру груди выше температуры окружающей среды посредством активности. Они известны как факультативные или эндотермы, зависящие от активности. Медоносная пчела, например, достигает этого, сокращая антагонистические мышцы полета, не двигая крыльями (см. терморегуляцию насекомых). Однако эта форма термогенеза эффективна только выше определенного температурного порога, и ниже примерно 30°C медоносная пчела возвращается к эктотермии. Факультативная эндотермия также наблюдается у нескольких видов змей, использующих свое метаболическое тепло для обогрева яиц. Python molurus и Morelia spilota – два вида питонов, у которых самки окружают свои яйца и дрожат, чтобы их высидеть.

Региональная эндотермия

Было показано, что некоторые эктотермы, включая несколько видов рыб и рептилий, используют региональную эндотермию, когда мышечная активность поддерживает более высокую температуру в определенных частях тела по сравнению с остальным телом. Это обеспечивает лучшую подвижность и использование органов чувств в холодной среде.