Ambiti di temperature compatibili con la vita a animale

Le temperature massime compatibili con la vita sono intorno ai 90 °C, dove troviamo i batteri delle acque termali calde; i metazoi non sopportano temperature sopra i 50 °C e le temperature minime sono circa –50 °C, tollerate dai grandi animali polari. Nematodi ed uova di insetti possono essere congelati in elio liquido (- 269 °C).

Temperature terrestri e temperature limite per la vita animale. Tb: temperatura corporea.

Come e dove varia la temperatura

• Le temperature compatibili con la vita variano tra i -50 ed i + 90 °C

• Queste variazioni di temperatura sono presenti negli ambienti terrestri, mentre nei laghi e nei mari sono molto ridotte: -2 °C circa è il punto di congelamento dell'acqua di mare, che difficilmente supera i 30 °C. Le più alte temperature le troviamo però in alcune acque geotermali, anche sottomarine (fino a 350 °C)

• La temperatura è variata nel corso delle ere geologiche, o nell'arco di centinaia o migliaia di anni, e varia nell'arco delle stagioni e del giorno

•Le variazioni di temperatura possono essere rapide nell'ambiente terrestre, ma lente in mare e nei laghi, dove eventuali variazioni locali sono comunicate alle acque circostanti per convezione e dunque i gradienti di temperatura sono limitati. Così in Siberia la temperatura può variare di circa 100 °C fra estate ed inverno, mentre nei vicini mari polari resta intorno a 0 °C. Analogamente, la temperatura nel deserto varia fortemente nel corso della giornata, ma resta stabile nel mare che lo bagna.

• In conclusione, sono soprattutto gli animali terrestri a dover affrontare variazioni di temperatura su scala giornaliera o stagionale.

Riftia pachyptila : verme tubo gigante (è di fatto un bivalve)Habitat tipicamente abissale sulle sorgenti idrotermali E' in grado di sopportare temperature elevate e alti livelli di zolfo. Cresce fino a 2,4 metri di lunghezza. Questi vermi non hanno né bocca né tubo digerente, ma hanno branchie rossastre che contengono emoglobina. L'emoglobina combina l'idrogeno solforato e lo trasferisce ai batteri che vivono all'interno del tubo. In cambio, i batteri nutrono il verme con composti di carbonio.

Un abitante delle sorgenti geotermali

Unità di misura della temperatura

• Gradi centigradi, Celsius °C = comunemente 0 C° è la temperatura di congelamento e 100 C° di ebollizzione dell'acqua. Di fatto -273.15 °C è lo 0 assoluto e 0.01 °C (273.16 K) è il punto triplo dell'acqua.

• Scala Fahrenheit (usata negli USA) : l'acqua gela a 32 ° e bolle a 212 °C; i due fenomeni sono separati da 180 gradi Fahrenheit

•Conversione Fahrenheit -Celsius [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32

[°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9

• Fahreneit 451 : una distopia, o anti-utopia

Terminologia nel campo della termoregolazione• Animale a sangue caldo e sangue freddo ( in base alla percezione tattile: uccelli e mammiferi,o pesci, anfibi e rettili.• Omeotermi (uccelli e mammiferi) e Pecilotermi (variabile, pesci, anfibi, rettili, etc.). Si può però essere omeotermi perchè l'ambiente è omeotermo ed un mammifero ibernato può arrivare a 5°C.• Ectotermi ed endotermi: la principale fonte di calore è l'ambiente o il proprio metabolismo.• Eterotermia: situazioni intermedie: a) endotermia parziale (colibrì, piccoli rettili) con bassa Tb di notteb) endotermia facoltativa (per es.le api: possono aumentare la produzione di calorec) eterotermia regionale (mani e piedi sono freddi, polmoni)d) omeotermia inerziale (i grandi animali: per es., i dinosauri).• Termoregolatori e termoconformi: la maggior parte degli animali ha una certa capacità di regolare la propria temperatura.

Terminologia della termoregolazione. Le classi possono essere distinte o sovrapposte. Ombreggiatura: animali termoregolatori. Bianco: animali termoconformi; Frecce: eterotermia temporale. MR: tasso metabolico; Ta: temperatura ambientale; Tb: temperatura corporea.

Tachimetabolico:il metabolismo resta alto anche a riposo

Ectotermi : al salire della temperatura ambientale il metabolismo cresce

Endotermi: al salire della temperatura ambientale il metabolismo diminuisce, resta stabile e poi aumenta

Bradi metabolico:il metabolismo a riposo è circa 1/5 dei tachimetabolici

Euritermia e stenotermia

• Insetti e rettili delle zone temperate possono alimentarsi e muoversi tra gli 8 ed i 38 °C di Tb: sono euritermi

• Uccelli e mammiferi sono stenotermi

• I pesci dei mari profondi sono ectotermi e stenotermi

• La tolleranza alla temperatura dipende dalla tolleranza alla temperatura delle proteine e delle membrane, ma anche dalla complessità dell'organismo: una cellula nervosa di mammifero risponde anche a temperature basse, ma vengono ad essere insufficienti meccanismi di controllo vitali nei mammiferi, quali il flusso sanguigno e la respirazione.

• L'aumento di temperatura aumenta la velocità dei processi; esiste però una temperatura oltre la quale la temperatura ha effetti distruttivi.

Vel

ocit

à de

l pro

cess

o

Temperatura ottimale

Effetti distruttivi, specialmentestrutturali

Temperatura

Meccanismi attivatori

Temperatura e velocità dei processi

La temperatura influenza la velocità delle reazioni: il Q10

Energia di attivazione in presenza ed assenza di enzimi.

L'aumento di temperatura aumenta l'energia delle molecole, rendendo più probabile il raggiungimento dell'energia di attivazione ed aumentando la velocità delle reazioni.Gli enzimi diminuiscono l'energia di attivazione, aumentando la velocità delle reazioni. Non cambiano le concentrazioni dei reagenti all'equilibrio.Il Q10 è il rapporto tra le velocità di reazione per un cambiamento di 10 °C.Il Q10 dei processi biologici è circa 2-3; il Q10 della diffusione è 1.03. Il Q10 è moltiplicativo: un animale che può vivere in un range di 30 °C potrebbe avere variazioni nella velocità dei processi vitali di 8-27 volte.

Viscosità delle membrane cellulari

• I lipidi delle membrane cellulari son in uno stato semi-ordinato (nè altamente fluido nè cristallino) e cambiano la loro fluidità, in funzione della temperatura, in modo discontinuo.• I lipidi di membrana tendono ad avere una composizione in acidi grassi e colesterolo in modo da assumere la giusta fluidità alle temperatura dell'habitat (fenomeno dell' omeoviscosità)

La presenza di grassi insaturi rende più fluida la membrana

Solo lipidi saturi

Un lipide con un doppio legame

Enzimi e temperatura

In funzione della temperatura ambientale, si possono avere• Cambiamenti nell'attività e nella concentrazione dell'enzima • Cambiamento nella concentrazione del substrati• Sintesi preferenziale di isoenzimi • Cambiamenti del genotipo

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)

Attività degli enzimi e temperatura dell'habitat

• L'attività degli enzimi tende ad essere simile alle diverse temperature dell'habitat• Kcat= moli di substrato trasformate in un s da una mole di enzima• Km= concentrazione di substrato al quale V è pari a Vmax/2

Nei pesci che sperimentano piccole variazioni di temperatura ambientale Km varia maggiormente in funzione della tempertura. Intorno ai 37 °C la variazione diventa più rapida.Il ghiozzo (temperaura ambientale 9 38) Km è molto stabile.

(??)

Ghiozzo

Viscosità delle membrane cellulari

• I lipidi delle membrane cellulari son in uno stato semi-ordinato (nè altamente fluido nè cristallino) e cambiano la loro fluidità, in funzione della temperatura, in modo discontinuo.• I lipidi di membrana tendono ad avere una composizione in acidi grassi e colesterolo in modo da assumere la giusta fluidità alle temperatura dell'habitat (fenomeno dell' omeoviscosità)

La presenza di grassi insaturi rende più fluida la membrana

Solo lipidi saturi

Un lipide con un doppio legame

La desaturasi introduce un doppio legame nei lipidi, rendendoli più fluidi. Raffreddando la temperatura esterna i lipidi tendono a diventare troppo rigidi. Aumenta però l'attività della desaturasi, che aumenta la fluidità dei lipidi (carpa).

Acclimatazione della viscosità

Tempo dal raffreddamento

Des

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rRN

A s

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ard

Omeoviscosità

La fluidità aumenta

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Heat shock protein

-

Il calore induce un fattore citoplasmatico HSF che trimerizza diventando attivo ed induce la sintesi della HSP. I complessi poliribosomiali esistenti tendono ad essere degardati dal calore. La HSP è una molecola chaperon, che favorisce un corretto folding. L'induzione della HSP è funzione della temperatura ambientale. Il meccanismo della HSP è correlata con la tolleranza termica in tutti i taxa.

Calore

TrascrizioneGenoma

Gene HSP

TrascrizioneRibosomi liberi

Poliribosomi

HSP mRNA

-

--

-

Congelamento

• Le basse temperature inibiscono i processi fisiologici, ma anche quelli che portano alla morte cellulare (apoptosi e necrosi)

• Gli animali con tolleranza al congelamento sopravvivono al congelamento• Gli animali con intolleranza al congelamento evitano il congelamento

• Tolleranza al congelamento: si ottiene grazie a• I crioprotettori colligativi (glicerolo): sostituiscono in parte l'acqua, abbassando il punto di congelamento ma anche riducendo la quantità di ghiaccio • I crioprotettori non colligativi, si legano alle membrane, proteggendole• La tolleranza al congelamento (fino a –30—70 °C) è comune in molti invertebrati (insetti, gasteropodi, nematodi), rara nei vertebrati.

Super-raffredamento nei liquidi, dovuto alla mancanza di agenti di nucleazione.

SuperraffreddamentoCalore di fusione dell'acqua: calore necessario per fondere 1 g di solido a T costante;Calore di cristallizzazione dell'acqua : calore generatoquando l'acqua passa dallo stato liquido allo stato solido.

• Gli animali con intolleranza al congelamento evitano il congelamento mediante super-raffreddamento, potenziato da molecole anticongelanti di tipo colligativo (glicerolo).• Le AFP (anti-freezing protein) e le AFGP favoriscono il superraffreddamento legandosi ai cristalli di ghiaccio ed impedendo la loro espansione.

Temperatura di congelamento in presenza di anticongelanti colligativi e non-colligativi.

Molecole anti-congelamento

Glicoproteina 3

Glicoproteina 5

Glicerolo

Galattoso

Concentrazione (moli/Kg H2O)

Tem

pera

tura

di c

onge

lam

ento

Glicoproteina B

Quesiti

- Che cosa è il Q10?

- Come si può controllare la velocità di una reazione enzimatica?

- Che cosa è l'omeoviscosità

- Che cosa è la HSP?

- Che cosa è la tolleranza al congelamento?

- Come è possibile evitare il congelamento?

Quesiti

• Che cosa è la Tb?

• Che cosa è il punto triplo dell'acqua e quanto vale (in C° ed in F °)?

• Termoconforme è sinonimo di omeotermo?

• Un animale endotermo può essere eterotermo?

• Un animale può essere ectotermo e stenotermo?

• Un animale può essere endotermo ed euritermo?

• Che cosa è la capacità termica specifica

• Nota la capacità termica specifica, che cosa devo fare per calcolare la capacità termica di un corpo?

• Quali parametri influenzano lo scambio di calore per conduzione?

• La riflessione può emettere nel visibile?

• L'emissione infrarossa riscalda i corpi ma non è visibile. E' corretto?

• L'evaporazione è più importante negli anfibi o nei rettili?

• Un animale ectotermo vive in un ambiente a 40 °C. Se la temperatura cambia bruscamente a 30 °C, e l'animale ha una costante di inerzia termica di 30 s, che temperatura raggiunge, all'incirca, dopo 60 s?