אקופיזיולוגיה: מה היא חוקרת ומיישמת אצל בעלי חיים וצמחים - ביולוגיה - 2025

Ecofisiología הוא הסניף של אקולוגיה החוקרת את התגובה התפקודית של אורגניזמים להסתגל לשינויים סביבתיים. כל יצור חי חייב להסתגל לסביבתו כדי לשרוד והתאמה זו היא מבנית ופונקציונאלית כאחד.

תחום זה ידוע גם בשם אקולוגיה פיזיולוגית או פיזיולוגיה סביבתית, ומייצר ידע בסיסי וגם יישומי. כך ניתן לדעת את הקשר בין פיזיולוגיה של אורגניזם לבין שינויים סביבתיים.

ניסויים אקופיזיולוגיים. מקור: Rasbak

באופן דומה, אקופיזיולוגיה מספקת מידע בתחום ייצור הצומח ובעלי החיים לייצור מזון. לדוגמא, מחקרים על האקופיזיולוגיה של צמחים הסובלנים לתנאים סביבתיים קיצוניים שימשו לשיפור הגנטי.

באופן דומה, מחקרים אקופיזיולוגיים מאפשרים לקבוע מהם התנאים הסביבתיים המתאימים ביותר להשגת תפוקת בעלי חיים גבוהה יותר. כך, ניתן לקבוע טווחי שונות של גורמים סביבתיים בכדי לספק נוחות לבעלי החיים ביחידות הייצור.

מה לומד אקופיזיולוגיה?

אקופיזיולוגיה היא תחום בו פיזיולוגיה ואקולוגיה מתכנסות. הפיזיולוגיה המדע הבוחן את תפקודם של יצורים חיים ואקולוגיה עוסק בקשרים שבין יצורים חיים לסביבתם.

במובן זה האקופיזיולוגיה בוחנת את הקשר הדינאמי בין הסביבה המשתנה לבין ההתאמות של חילוף החומרים הצמחיים או בעלי החיים לשינויים אלה.

- ניסויים אקולוגיים

כדי להשיג את מטרתה, אקופיזיולוגיה מיישמת הן מחקר תיאורי והן את השיטה הניסויית. לשם כך הוא מזהה את הגורמים הפיזיים-כימיים הפועלים בסביבה וקובע את השפעתם על הגוף.

גורמים אלה יכולים להיות משאבים שהאורגניזם משתמש בהם לצורך הישרדותו או מצבים המשפיעים על תפקודו. לאחר מכן, התגובה הפיזיולוגית של האורגניזם החי לשונות של הגורם האמור נקבעת.

מערכות מטבוליות מעורבות

יש צורך לזהות את המערכות האורגניות והפונקציונליות הכרוכות בתגובה ההסתגלותית של האורגניזם לשינוי של גורם מסוים. לדוגמא, כאשר יש שינויים בטמפרטורה יש תגובה ממערכת התרמו-ווסתית של האדם.

עיצוב נסיוני

אקופיזיולוגיה משתמשת בתכנון הניסויים כדי לבסס את התגובה הפיזיולוגית של האורגניזם לשינויים בגורם. דוגמא לכך עשויה להיות כפיפות של אנשים מזן צמחי לריכוזי מלח שונים במצע.

- סוגי שינויים סביבתיים

לאחר הגדרת הגורמים הנלמדים, יש צורך לזהות את השינויים המתרחשים בסביבה ואת טיבם הזמני, תוך הגדרת שלושה סוגים:

שינויים מחזוריים

שינויים אלה חוזרים על עצמם מדי פעם, כמו חילופי עונות האקלים או יום ולילה. מול אלה פיתחה הישות החיה תפקוד מחזורי, בעקבות קצב השינוי הסביבתי.

מחזור יום ולילה. מקור: קליבר

לדוגמא, נפילת העלים בעונה היבשה להפחתת הזיעה בגלל מחסור במים. במקרה של בעלי חיים, ישנם גם התאמות לשינויים המחזוריים הללו; לדוגמה, שינוי פלומה של ציפורים מסוימות.

הפסגה (Lagopus muta) של הטונדרה יש הומוכרומיה עונתית ומציגה את שזיף החורף הלבן ואילו באביב היא משתנה לגוונים כהים ומגוונים. כך, ההסוואה שלהם מותאמת ללבן האחיד של השלג ואז לטונים הכהים של הסביבה בשאר ימות השנה.

התאמה נוספת של בעלי חיים לשינויים מחזוריים היא שינה של דובים ומינים אחרים בתקופת החורף. זה כרוך בשינויים בקצב חילוף החומרים שכוללים ירידה בתפקודי הגוף, כמו טמפרטורה וקצב לב.

שינויים אקראיים

סוגים אלה של שינויים מתרחשים באופן אקראי, ללא סדירות קבועה. לדוגמה, מפולת של מדרון הר, שפיכת נפט או הגעתו של טורף או פתוגן חדש.

סוגים אלה של שינויים מהווים סיכון גדול יותר למין, מכיוון שהם מתרחשים בצורה דרסטית, במקרים אלה תגובת האורגניזמים תלויה בפלסטיות בפונקציות שכבר קיימות.

שינויי כיוון

הם שינויים בסביבה הנגרמים במכוון על ידי בני אדם למטרות מסוימות. מקרה זה הוא כריתת יערות יער להקמת מרעה או התערבות של שטח רטובה לעיבוד אורז.

- עמדות כלליות

החל מהצטברות של עדויות ניסיוניות ותצפיות בסביבה הטבעית, האקופיזיולוגיה מנסה להגדיר תנוחות כלליות. אלה עקרונות כלליים העולים מהסדירות של תגובות פיזיולוגיות מסוימות לשינויים סביבתיים.

חוק המינימום של ליביג

שפרינגל (1828) העלה כי הגורם הקובע בגדילת האורגניזם הוא הקשה ביותר בסביבה. מאוחר יותר עיקרון זה פופולרי על ידי ליביג (1840), והוא ידוע כחוק המינימום או חוק ליביג.

Bartholomew (1958) יישם עיקרון זה על התפלגות המינים והצביע שהוא נקבע על ידי הגורם הסביבתי המגביל ביותר.

חוק הסובלנות של שלפורד

בשנת 1913 הצהיר ויקטור שלפורד כי מין מסוים קיים בטווח שונות מוגדר של כל גורם סביבתי והאינטראקציות ביניהם. זה ידוע כמגבלות סובלנות, שמחוץ להן המין אינו שורד.

חוק הסובלנות של שלפורד. מקור: http://ecologiaambiental.wikispaces.com/

עיקרון זה מגדיר כי במשרעת השונות של גורם סביבתי מסוים ישנם שלושה מצבים אפשריים לאורגניזם. מצבים אלו הם סטרס וחוסר סובלנות אופטימליים.

במובן זה, בטווח האופטימלי של הגורם, אוכלוסיות המינים יהיו בשפע. כאשר מתרחקים מהאופטימום, נכנסים לאזור לחץ בו אוכלוסיות פוחתות ומחוץ לגבול הסובלנות המין נעלם.

- טכנולוגיה דיגיטלית ואקופיזיולוגיה

כמו בכל המדע, מחקרים אקופיזיולוגיים שופרו על ידי פיתוח טכנולוגיות חדשות. בשל אופיו הניסיוני, תחום זה הועדף במיוחד על ידי פיתוח טכנולוגיה דיגיטלית.

כיום קיים מגוון מכשירים אלקטרוניים ניידים המאפשרים מדידת גורמים סביבתיים בתחום. בין אלה מדדי קרינת שמש, טמפרטורה, לחות יחסית, שטח העלים, בין היתר.

דוגמאות ליישומים אצל בעלי חיים

- השפעת הטמפרטורה על הפריון של בעלי משק

תחום רלוונטי מאוד הוא האקופיזיולוגיה המיושמת בייצור בעלי חיים, המבקשת להבין את תגובת בעלי החיים הרבים לשונות הגורמים הסביבתיים. אחד הגורמים הללו הוא הטמפרטורה, תוך התחשבות במגמה הנוכחית של עליית הטמפרטורה הממוצעת העולמית.

הומותרפיה

הרוב המכריע של בעלי החיים המגדלים הם בעלי חיים ביתיים, כלומר הם שומרים על טמפרטורה פנימית יציבה למרות שינויים סביבתיים. זה מושג באמצעות השקעה של אנרגיה כימית כדי לפצות על עליות או ירידות בטמפרטורה בחוץ.

תהליך פיצוי טמפרטורה חיצוני זה מושג באמצעות ויסות תרמי, הכולל את ההיפותלמוס, מערכת הנשימה והעור.

תרנגולות מטילות

השעה ביום שמאכילה תרנגולת מטילה נמצאה חשובה לתפוקתה. במקרה זה זה קשור ליכולת ההטמעה של המזון כפונקציה של לחץ חום.

תרנגולות מטילות. מקור: פלוי (אלן HM)

אם המזון מסופק בשעות החמות ביותר ביום, התרנגולת מטמיעה אותו פחות וייצורו פוחת. כתוצאה מכך, עליית הטמפרטורה הסביבתית מרמזת על ירידה בפריון של תרנגולות חופשיות.

בקר

העלייה בטמפרטורה מאלצת את בעלי החיים להפעיל מנגנונים פיזיולוגיים של ויסות תרמי. זה כרוך בהשקעה של אנרגיה שמופחתת מעלייה במשקל או מייצור חלב.

מצד שני, ככל שהטמפרטורה עולה, בעלי החיים משנים את סדר העדיפויות שלהם. במקרים אלה צריכת המים גדלה וצריכת החומר היבש יורדת, וכתוצאה מכך הירידה במשקל.

- זיהום וצפרדעים

מחקרים אקופיזיולוגיים מאפשרים לקשר בין פיזיולוגיה של מיני בעלי חיים לסביבתם ולקבוע את ההשפעות השליליות האפשריות של זיהום. דוגמה לכך היא מצב האיום הנוכחי עליו נתונים לצפרדעים וקרפדות.

צפרדע (Atelopus zeteki) הרגיש לזיהום. מקור: בריאן גרטוויצ'קה

כמחצית מ -6,500 המינים הידועים של דו חיים הם מאוימים על ידי הכחדה. בעלי חיים אלה רגישים מאוד לשינויים בטמפרטורה, לחות או מזהמים סביבתיים.

הנשימה והמחזור של דו-חיים

הפיזיולוגיה של הנשימה של דו-חיים הם מוזרים מאוד, מכיוון שהם נושמים הן דרך הריאות והן דרך העור. כאשר הם מחוץ למים הם משתמשים בריאות שלהם ובמים הם נושמים דרך עורם, אשר חדור ל- O2, CO2 ומים.

פְּגִיעָה

צורת הנשימה הופכת את בעלי החיים הללו לרגישים לספיגת מזהמים מאוויר ומים. מצד שני, בגלל ריכוז החמצן הנמוך במים הם נחלשים מכיוון שהם לא סופגים אותו כמו שצריך.

בתנאים אלו הם יכולים למות או להחלש ולהיות רגישים להתקפה על ידי פטריות וחיידקים פתוגניים. אחד האיומים הגדולים ביותר הוא הפטריה הפתוגנית Batrachochytrium dendrobatidis, המעכבת את זרימת האלקטרוליטים בעור.

דוגמאות ליישומים בצמחים

- אקופיזיולוגיה של צמחים

התחממות כדור הארץ תביא לייצור גידולים מסוימים באזורים מסוימים בגלל חוק הסובלנות. כלומר, גורמים כמו זמינות המים יחרגו מתחום הסבילות של המין.

זירופיטים. מקור: תומס קסטלאזו

עם זאת, מינים באזורים צחיחים פיתחו אסטרטגיות להתאמה לגירעון המים. במובן זה, מחקר באקופיזיולוגיה של צמחים באזור הצחיח מספק דרכים אפשריות לשיפור גנטי מהצומח.

אוסמוליטים

אחת האסטרטגיות הללו היא שינוי ביטוי הגנים לייצור חלבונים המסייעים לסבול גרעון מים. בין חלבונים אלה ניתן למצוא אוסמוליטים המסייעים לתאים לשמור על הטורגור שלהם אפילו עם מעט מים.

הנדסה גנטית יכולה לשמש את הידע של חלבונים אלה ומטבוליזם שלהם לשיפור היבולים.

- אקופיזיולוגיה של צמחים הלופיליים

אחת הבעיות העומדות בפני החקלאות היא מליחות קרקעות בגלל ריכוז המלחים שנוספו על ידי מי ההשקיה. ככל שיותר קרקעות מתמזגות במלח, כך ניתן להשיג פחות שטח יבול לייצור מזון.

צמחים הלופיליים

עם זאת, ישנם מינים של צמחים המותאמים לשרוד בתנאים של ריכוז גבוה של מלחים באדמה. אלה הם מה שנקרא צמחים הלופיטים (Halos = מלח; פיטו = צמח).

מינים אלה פיתחו סדרה של התאמות מורפולוגיות ופיזיולוגיות כמנגנונים להימנעות מספיגת המלח, ניעורו או הפרשתו.

צמחים הלופיטים כמזון

הכרת האקופיזיולוגיה של צמחים אלה משמשת כבסיס לפיתוח מערכות חקלאיות ושימוש בהן כמקורות מזון. באופן זה ניתן להשתמש במינים הלופיטים המעובדים על קרקעות חקלאיות מומלחות כזנה לבעלי חיים.

הפניות

1. Ariasa, RA, Maderb, TL ו- Escobara, PC (2008). גורמים אקלימיים המשפיעים על הביצועים הפרודוקטיביים של בקר ובקר חלב. ארכיון מד. וטרינר.
2. בלוישטיין, AR, Wake, DB ו- Sousa, WP (1994). ירידות דו-חיים: אם לשפוט יציבות, התמדה ורגישות של אוכלוסיות להכחדות מקומיות ועולמיות. ביולוגיה לשימור.
3. Calow, P. (Ed.) (1998). האנציקלופדיה של אקולוגיה וניהול סביבתי.
4. Hawkesford, MJ ו- De Kok, LJ (2007). אקופיזיולוגיה צמחית (כרך 6). גופרית בצמחים. נקודת מבט אקולוגית.
5. לוטג ', U. ו Scarano, FR (2004). אקופיזיולוגיה. מגזין ברזיל. בוט.
6. פריירה-קרדוזו, מ 'וקוויראבן, א' (2014). חלבונים בסובלנות ללחץ מים בצמחים. SEMIÁRIDA, כתב העת של הפקולטה לאגרונומיה UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH ו- Heller, HC (2001). חַיִים. מדע הביולוגיה.
8. Raven, P., Evert, RF ו- Eichhorn, SE (1999). ביולוגיה של צמחים.