Главным источником тепла для всех живых существ служит солнечная энергия. Солнечная радиация превращается в экзогенный (находящийся вне организма) источник тепла во всех случаях, когда она падает на организм и им поглощается. Сила и характер воздействия солнечного излучения зависят от географического положения и являются важными факторами, определяющими климат региона. В свою очередь климат определяет наличие и обилие видов растений и животных в данной местности. В основном организмы обитают в таких областях земного шара, где нормальная температура варьирует от — 40°С (в Арктике) до 50 °С (в пустынях). В некоторых пустынных регионах температура на поверхности земли может достигать 80°С. Большинство живых организмов существует в весьма ограниченном диапазоне температур, например в пределах от 10 до 35°С, однако многие виды обладают приспособлениями, позволяющими им заселять регионы с экстремальными температурами (рис. 18.8). Солнечный свет — не единственный источник тепла, доступный живым организмам. Солнечная энергия видимой части спектра используется автотрофами для фотосинтеза и аккумулируется в химических связях синтезируемых ими органических веществ (гл. 9). Молекулы этих веществ служат эндогенными источниками тепловой энергии, которая освобождается в процессе тканевого дыхания (гл. 11).
Рис. 18.8. Шкала температур и пределы переносимости для живых организмов
Температура является показателем количества тепловой энергии в системе и основным фактором, определяющим скорость химических реакций как в живых, так и в неживых системах. Как отмечалось в разд. 6.4.3., тепловая энергия повышает скорость движения атомов и молекул, благодаря чему возрастает вероятность взаимодействия между ними. Зависимость между температурой и скоростью химических реакций выражается в виде температурного коэффициента, Q10. В живых системах температура влияет на структуру ферментов, которая в свою очередь влияет на интенсивность обмена. От температуры в большой степени зависит распространение организмов и их активность.
Температура может быть фактором, лимитирующим рост и развитие растений, так как влияет на скорость деления клеток, интенсивность клеточного метаболизма и фотосинтез. От температуры зависят темновые реакции фотосинтеза, а они в свою очередь контролируют различные метаболические пути, описанные в гл. 9. Интенсивность фотосинтеза и накопление достаточных количеств питательных веществ, необходимых для завершения полного жизненного цикла, — таковы факторы, определяющие географическое распространение растений.
Растительный мир северных областей умеренной зоны и тундры демонстрирует множество приспособлений, позволяющих максимально использовать преимущества теплого периода во время короткого лета. Единственные растения здесь — это мхи, лишайники, некоторые травы и быстро растущие однолетники. Растения высоких северных или южных широт подвергаются длительному воздействию таких неблагоприятных условий, как слабая освещенность, низкие температуры и мерзлая почва. Выживание в этих условиях обеспечивается множеством разнообразных анатомических, физиологических и поведенческих приспособлений, связанных с определенными стадиями жизненного цикла. Например, большинство многолетних деревянистых растений в умеренных поясах относятся к листопадным. Сбрасывание листвы (под действием регулятора роста — абсцизовой кислоты) предотвращает потерю воды в результате испарения через устьица в те периоды, когда из-за низких температур ограничено поглощение влаги из почвы (разд. 15.2.8). Опадение листьев помогает также избежать повреждения снегом и ветром в то время, когда фотосинтез все равно был бы резко снижен из-за слабой освещенности, низких температур и недостатка воды и солей. В течение этих периодов зоны будущего роста — почки — бывают прикрыты почечными чешуйками, а их метаболическая активность подавлена присутствием регулятора роста дормина. Такое название этот регулятор получил за свое действие, но недавно было показано, что он представляет собой абсцизовую кислоту.
В более северных широтах среди деревянистых растений преобладают хвойные. Они имеют игольчатые листья, благодаря чему уменьшается количество снега, который может скапливаться на них зимой. Кроме того, эти листья покрыты толстой кутикулой, уменьшающей потерю влаги летом. Разнообразные виды однолетних растений имеют короткие периоды роста и переносят зиму, образуя холодостойкие семена или подземные органы. Низшие растения переносят холодный период, образуя устойчивые споры, которые могут сохранять жизнеспособность сотни лет, как можно видеть на примере спор, найденных в Сибири, которые после их извлечения из вечной мерзлоты нормально проросли.
