Energie

Teplota

Teplota a život

Vnímání teploty

Termodynamická teplota (T, jednotkou je kelvin) patří mezi základní jednotky SI. Je přímo úměrná kinetické energii molekul vykonávající neustále translační, rotační a vibrační pohyb. Mezi energií molekul a teplotou platí vztah:

 ,

kde kB je Boltzmannova konstanta (1,38.10-38J/K). Pro jeden mol látky je energie úměrná RT, kde R = 8,314 J/mol.K je molární plynová konstanta rovná součinu NA.kB, kde NA = 6,022.1023 mol-1 je Avogadrova konstanta. Pro plyn platí

kde i je počet stupňů volnosti a nabývá hodnoty 3, 5 nebo 6 podle počtu atomů (1,2 nebo 3 a více) v molekule plynu. V případě kapaliny je kinetická energie menší a výrazně se uplatňuje potenciální energie molekul. V případě pevné látky potenciální energie molekul výrazně převažuje nad kinetickou.

Pro živé organizmy je teplota jeden z nejdůležitějších faktorů, na němž závisí tvar a velikost těla, možnost existence v daných podmínkách či intenzita životních funkcí. Teplota tání a varu látek určuje jejich výskyt v pevném, kapalném a plynném stavu. Výskyt vody v kapalném stavu je nutnou podmínkou pro život  na Zemi.

Teploty kolem nás

Voda a život

Anhydrobioza - " život " bez vody

Rotace Země, sklon ekliptiky a excentricita její trajektorie při obíhání kolem Slunce jsou příčinou sezónních i denních změn teploty a různé sluneční intenzity na různých místech planety.

Pro většinu obyvatelných prostředí Země je charakteristická kolísající teplota. Teplotní rozpětí je maximální v mírném pásu, na některých místech dosahuje teplota v létě přes den až 40 °C  nebo i víc a v noci v zimě klesá až na -40°C. Většina živočichů, zvlášť ti malého vzrůstu obývají úkryty, kde teplota kolísá méně než teplota prostředí.

Některá prostředí mají vysoce stabilní teplotu, která zde kolísá během roku pouze o 1 až 2 °C. Příkladem jsou mořské mělčiny pod arktickým a antarktickým ledem, oblasti hluboko v moři, mnoho jeskyní, mikroprostředí v podzemní vodě.

Teplot v různých oblastech Země a jejich změny

Teploty prostředí živých organizmů na Zemi

Bílkoviny                                                                                                     
Příčinou různých životních procesů (výměna energie, metabolismus, růst, vývoj a rozmnožování) jsou chemické reakce probíhající v buňkách. Tyto reakce probíhají ve vodním prostředí a pro jejich průběh jsou nezbytné bílkoviny (proteiny). Pro funkci bílkovin je důležité prostorové uspořádání dané slabými elektrostatickými silami mezi jednotlivými částmi makromolekuly. Energie těchto slabých chemických interakcí může být při vyšších teplotách narušena tepelným pohybem molekul.

Strukturu bílkovin kódují (určují) molekuly nukleových kyselin DNA a RNA. Ty fungují jako nositelé dědičné informace předávané při vzniku nových buněk.

Teplotní poškození bílkovin

Proteiny teplotního šoku

Fosfolipidy
Fosfolipidy tvoří spolu s bílkovinami buněčnou membránu. Ta odděluje vnitřek buňky od okolního prostředí
i jednotlivá prostředí uvnitř složitějších (eukaryotických) buněk. Na membránách probíhají oxidativně- redukční procesy (buněčné dýchání). 

Fyzikální vlastnosti biologických membrán a speciálně jejich fosfolipidových struktur jsou výrazně ovlivněny teplotou. Fosfolipidy existují ve formě tekutých krystalů (stav mezi tekutinou a rigidní strukturou). Viskozita membrány je velmi citlivá na změny teploty. Při změně viskozity se výrazně mění i funkce membrány.

Biologické membrány jsou velmi citlivé k teplotním změnám. Nízké teploty mohou způsobit, že se membrána dostává do gelové fáze s vysokou viskozitou membránových lipidů. Naopak při vysokých teplotách bývá membrána velmi tekutá s malou viskozitou. Výrazné změny viskozity ohrožují funkci membrány (kompartmentace - udržování oddělených mikroprostředí uvnitř buňky, selektivní transport, udržování iontového gradientu a další).

Aklimatizace ektotermních živočichů na chladné či teplé prostředí zahrnuje mimo jiné změnu membránových lipidů. Ty se stávají více nasycenými při vyšší teplotě a méně nasycenými při teplotě nižší. Tyto změny pomáhají stabilizovat tvar membrány a buněčné funkce, které s ní souvisí. Tento jev se nazývá homeoviskózní adaptace.

Cholesterol je další důležitou komponentou membrány. Dodává jí pevnost. U živočichů adaptovaných na teplo jsou vyšší koncentrace cholesterolu v buněčných membránách, přispívající k homeoviskózní stabilitě. Koncentrace cholesterolu tak bývá vyšší u endotermů než u ektotermů (ektotermové mají obvykle nižší tělesnou teplotu než endotermové).