1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sinh vật

- Ý nghĩa của nhiệt độ. Nhiệt độ trên trái đất phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và thay đổi theo vĩ độ (theo vùng địa lý và theo chu kỳ trong năm).

Nhiệt độ là nhân tố khí hậu có ảnh hưởng rất lớn đến sinh vật, nhiệt độ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến quá trình sống của sinh vật (sự sinh trưởng, phát triển, sinh sản...), đến sự phân bố của các cá thể, quần thể và quần xã.

Sự khác nhau về nhiệt độ trong không gian và thời gian đã tạo ra những nhóm sinh thái có khả năng thích nghi khác nhau. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến các yếu tố khác của môi trường như độ ẩm không khí, độ ẩm đất ...

Trong khí hậu nông nghiệp và sinh thái học hiện đại, theo mức độ đáp ứng nhiệt của sinh vật, mà người ta chia ra 4 đới nhiệt cơ bản :

1.2.1. Nhiệt đới: Nhiệt độ không thấp hơn 00C (ngoại trừ những vùng núi cao). Nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất 15 - 200C. Nhiệt độ phân bố đều trong năm, dao động không quá 500C.

1.2.2. Cận nhiệt đới (á nhiệt đới): Nhiệt độ tháng lạnh nhất không dưới 40C, tháng nóng nhất cao hơn 200C. Nhiệt độ tối thiểu có khi xuống dưới 00C nhưng không phải hàng năm.

1.2.3. Ôn đới : Thực vật sinh trưởng vào mùa hè, mùa đông nghỉ. Thời gian không có tuyết khoảng 70 - 80 ngày. Mùa đông có tuyết dày.

1.2.4. Hàn đới (đới lạnh) : Mùa sinh trưởng của thực vật chỉ 1,5 - 2 tháng, hầu như lúc nào cũng lạnh.

- Tác động của nhiệt độ lên sinh vật. Ở sinh vật có hai hình thức trao đổi nhiệt :

+ Các sinh vật tiền nhân (vi khuẩn, vi khuẩn lam), Protista, nấm, thực vật, động vật không xương sống, cá, lưỡng thê, bò sát không có khả năng điều hòa nhiệt độ cơ thể, do đó nhiệt độ cơ thể phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và luôn biến động. Người ta gọi nhóm sinh vật này là sinh vật biến nhiệt (Poikilotherm) hay nhóm ngoại nhiệt (Ectotherm).

+ Các sinh vật có tổ chức cao như các loài động vật chim, thú nhỏ sự phát triển hoàn chỉnh cơ chế điều hòa nhiệt độ và sự hình thành trung tâm điều hòa nhiệt ở não đã giúp chúng duy trì được nhiệt độ cực thuận thường xuyên của cơ thể, không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường ngoài. Người ta gọi nhóm động vật này là động vật đẳng nhiệt (động vật máu nóng) (Homeotherm) hay nhóm nội nhiệt (Endotherm), chúng điều hoà nhiệt nhờ sự sản sinh nhiệt từ bên trong cơ thể của mình.

Trung gian giữa hai nhóm này có nhóm thứ ba, các loài sinh vật thuộc nhóm này vào thời kỳ không thuận lợi chúng ngủ hoặc ngừng hoạt động, nhiệt độ cơ thể hạ thấp nhưng không bao giờ xuống dưới 10 - 130C. Nhóm này gồm một số loài gặm nhắm như sóc đất, sóc mác mốt, nhím, chuột sóc, chim én, dơi, chim hút mật.

Phần lớn các loài sinh vật sống trong phạm vi nhiệt độ 0 - 500C hay còn thấp hơn. Trong các suối nước nóng, một số vi khuẩn có thể sống ở 880C, vi khuẩn lam ở 800C. Cá sóc (Cyprinodon macularis) sống ở nhiệt độ 520C. Trong khi đó ấu trùng sâu ngô (Pyrausta nubilaris) chuẩn bị qua đông chịu được nhiệt độ -27,20C, cá tuyết (Boregonus saida) hoạt động tích cực ở nhiệt độ -200C. Hoặc một số loài sinh vật có giới hạn nhiệt độ rất lớn, như loài chân bụng (Hydrobia aponensis) từ -1 - +600C, còn địa phiến (Planuriagonocephala) từ 0,5 - 240C,....

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thực vật

Đối với thực vật, nhiệt độ có ảnh hưởng đến hình thái, chức năng sinh lý và khả năng sinh sản. Nhiệt độ thấp có ảnh hưởng đến hình thái của cây.

Thực vật là cơ thể biến nhiệt, vì thế các hoạt động sinh lý của nó đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Cây quang hợp tốt ở nhiệt độ 20 - 300C, nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều ảnh hưởng đến quá trình này. Ở nhiệt độ 00C cây nhiệt đới ngừng quang hợp vì diệp lục bị biến dạng, ở nhiệt độ từ 4000C trở lên sự hô hấp bị ngừng trệ. Các cây ôn đới có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn 00C, ví dụ như một số loài tùng, bách mầm cây vẫn hô hấp khi nhiệt độ xuống -220C.

Quá trình thoát hơi nước của thực vật cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ không khí càng cao, độ ẩm không khí càng xa độ bảo hòa; cây thoát hơi nước mạnh.

Ở giai đoạn nảy mầm, hạt cần nhiệt độ thấp hơn thời kỳ nở hoa, vào thời kỳ quả chín đòi hỏi nhiệt độ cao hơn cả.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đời sống động vật. Nhiệt độ được xem là yếu tố sinh thái có ảnh hưởng lớn nhất đối với động vật. Nhiệt độ đã ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự sống, sự sinh trưởng, phát triển, tình trạng sinh lý, sự sinh sản, do đó có ảnh hưởng đến sự biến động số lượng và sự phân bố của động vật.

- Ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ môi trường đến sự chuyển hóa năng lượng của cơ thể. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi ở một chừng mực nào đó, sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ thể.

- Ảnh hưởng gián tiếp là nhiệt độ có thể tác động lên động vật như một loại tín hiệu, tín hiệu nhiệt độ có thể làm thay đổi điều kiện phát triển, sinh sản và sự hoạt động của động vật.

Bằng phương pháp thống kê sinh học, người ta đưa đến một số qui luật quan hệ giữa nhiệt độ và thích nghi hình thái ở các loài động vật có xương sống hằng nhiệt (đẳng nhiệt) gần gũi về quan hệ phân loại.

- Quy luật Bergman: Trong giới hạn của loài hay nhóm các loài gần gủi đồng nhất thì những cá thể có kích thước lớn hơn thường gặp ở những vùng lạnh hơn (hay những cá thể phân bố ở miền bắc có kích thước lớn hơn ở miền nam), các loài động vật biến nhiệt (cá, lưỡng thể, bò sát ...) thì ở miền nam có kích thước lớn hơn ở miền bắc. Quy luật này phù hợp với quy luật nhiệt động học: Bề mặt cơ thể động vật bình phương với kích thước của nó. Trong lúc đó khối lượng tỉ lệ với lập phương kích thước. Sự mất nhiệt tỉ lệ với bề mặt cơ thể và như vậy tỉ lệ đó càng cao, tỉ lệ bề mặt với khối lượng càng lớn, có nghĩa là cơ thể động vật càng nhỏ. Động vật càng lớn và hình dạng cơ thể càng thon gọn thì càng dễ giữ cho nhiệt độ cơ thể ổn định, động vật càng nhỏ quá trình trao đổi chất càng cao.

- Quy luật Allen: Quy luật này thường gặp hơn quy luật trên. D.Allen (1977) cho rằng càng lên phía bắc các cơ quan phụ của cơ thể (các bộ phận thò ra ngoài : Tai - chân - đuôi - mỏ) càng thu nhỏ lại. Một ví dụ điển hình là cáo Sahara có chân dài, tai to, cáo Châu Âu thấp hơn và tai ngắn hơn, còn cáo sống ở Bắc Cực tai rất nhỏ và mõm rất ngắn.

- Quy luật phủ lông: động vật có vú ở vùng lạnh có bộ lông dày hơn so với đại diện cùng lớp đó sống ở vùng ấm. Ví dụ hổ Siberi so với hổ Ấn Độ hay Malaysia có lông dày và lớn hơn nhiều. Điều này cũng phù hợp với quy luật Bergman.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý của động vật. Chẳng hạn như đối với tốc độ tiêu hóa: Nhiệt độ có ảnh hưởng đến lượng thức ăn và tốc độ tiêu hóa của ấu trùng mọt bột lớn (Tenebrio molitor) ở giai đoạn 4, ở nhiệt độ cao (360C) ăn hết 638mm2 lá khoai tây nhưng nếu ở nhiệt độ hạ thấp xuống (160C) thì chỉ ăn hết 215mm2 lá khoai tây. Ở nhiệt độ 250C mọt trưởng thành ăn nhiều nhất và ở nhiệt độ 180C mọt ngừng ăn. Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển của động vật.

- Động vật biến nhiệt. Tốc độ phát triển và số thế hệ trong một năm phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới một mức nào đó thì động vật không phát triển được. Nhưng trên nhiệt độ đó sự trao đổi chất của cơ thể được hồi phục và bắt đầu phát triển. Người ta gọi ngưỡng nhiệt phát triển (hay nhiệt độ thềm phát triển) là nhiệt độ mà ở dưới nhiệt độ này tốc độ phát triển của cơ thể là 0.

Bằng các thực nghiêm mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian phát triển của động vật biến nhiệt được thể hiện bằng công thức sau: T = (x-k)n

Trong đó: T là tổng nhiệt ngày; x: nhiệt độ môi trường; k: nhiệt độ ngưỡng của sự phát triển mà bắt đầu từ đó sự phát triển mới xảy ra; n: thời gian cần để hoàn thành một giai đoạn hay cả đời sống của sinh vật; (x-k): nhiệt độ phát triển hữu hiệu.

Từ công thức trên ta cũng có:

x - k = T/n ® n=T/ (x-k)

hay k = x - T/n và x = T/n + k

Tốc độ phát triển (y) là số nghịch đảo của thời gian phát triển (n)

Mỗi một loài động vật có một ngưỡng nhiệt nhất định. Ví dụ ngưỡng nhiệt phát triển của sâu khoang cổ (Prodenia litura) phá hại rau cải, su hào, bông lạc là 100C, của cóc (Bufo lentigirnosus) là 60C. Biết được tổng nhiệt hữu hiệu của một thế hệ và nhiệt độ nơi loài đó sống ta có thể tính được số thế hệ trung bình của nó trong một năm.

Nhìn chung các loài động vật ở vùng nhiệt đới có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn và có số thế hệ hằng năm nhiều hơn so với những loài có quan hệ họ hàng gần gũi với chúng ở vùng ôn đới.

Ở động vật nội nhiệt. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của động vật nội nhiệt phức tạp hơn nhiều so với động vật biến nhiệt. Nhiệt độ thấp tuy làm chậm sự tăng trưởng, nên sự trưởng thành sinh dục cũng bị chậm lại và vì thế kích thước cơ thể của con vật tăng lên. Khi nhiệt độ môi trường lên quá cao hoặc xuống quá thấp sẽ gây trạng thái ngủ hè, ngủ đông. Các động vật biến nhiệt tiến hành ngủ hè khi nhiệt độ môi trường quá cao và độ ẩm xuống thấp, phổ biến ở một số côn trùng và thú.

Sự sinh sản của nhiều loài động vật chỉ tiến hành trong một phạm vi nhiệt độ thích hợp nhất định. Nếu nhiệt độ môi trường không thích hợp (cao hoặc thấp) sẽ làm giảm cường độ sinh sản hoặc làm cho quá trình sinh sản đình trệ, vì nhiệt độ môi trường đã ảnh hưởng đến chức năng của cơ quan sinh sản.

Để thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ của môi trường, ở động vật có những hình thức điều hòa nhiệt .

- Sự điều hòa nhiệt hóa học đó là quá trình tăng mức sản ra nhiệt của cơ thể do tăng quá trình chuyển hóa các chất để đáp ứng lại sự thay đổi nhiệt độ của môi trường. Sự điều hòa nhiệt vật lý đó là sự thay đổi mức tỏa nhiệt, khả năng giữ nhiệt hoặc ngược lại phát tán nhiệt dư thừa. Sự điều hòa nhiệt vật lý thực hiện nhờ các đặc điểm về hình thái, giải phẩu của cơ thể như có lông mao, lông vũ, hệ mạch máu, lớp mở dự trữ dưới da ...

- Hình thành các tập tính để giữ thăng bằng nhiệt. Trong quá trình sống, động vật đã hình thành những tập tính giữ cân bằng nhiệt có hiệu quả nhất để thích nghi với nhiệt độ của môi trường.

Ví dụ như ong, khi nhiệt độ trong tổ thấp hơn nhiệt độ môi trường ngoài, để cân bằng nhiệt chúng đồng loạt đập cánh trong một thời gian.

Ở động vật đẳng nhiệt, nhờ sự phát triển và hoàn chỉnh cơ chế điều hòa nhiệt và sự hình thành trung tâm điều khiển nhiệt ở não bộ và giữ cho nhiệt độ cơ thể ổn định, ít phụ thuộc vào môi trường ngoài. Đó là đặc điểm tiến hóa của động vật. Ngoài ra, một đặc điểm thích nghi khá độc đáo để điều hòa nhiệt độ ở động vật đẳng nhiệt là tập tính tụ hợp lại thành đám. Ví dụ chim cánh cụt ở vùng gió và bảo tuyết đã biết tập trung lại thành một khối dày đặc. Những con chim đứng ở vòng ngoài cùng sau một thời gian chịu rét đã chui vào giữa đám và cả đàn chuyển động chậm chạp vòng quanh, do đó ở ngoài môi trường nhiệt độ rất thấp nhưng nhiệt độ bên trong đám đông vẫn giữ được 370C.

Nhờ sự kết hợp các phương thức điều hòa nhiệt (hóa học, vật lý và tập tính) mà động vật có khả năng thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ ở các vùng trên trái đất.