Размеры животных: почему они так важны? - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
Переменные, независимые от масштабных преобразований иные. Например, свойства некоторых биологических материалов у крупных и мелких животных одинаковы, такова физическая прочность костей и сухожилий. Про такие величины говорят, что они независимы от масштаба, причем это утверждение основывается на эмпирических наблюдениях, а не на каких-либо общих соображениях, по которым они должны были бы быть не связаны с масштабом подобно физическим константам.
Мы видели, что в мышцах млекопитающих диаметр фила-ментов, длина саркомера, перекрывание филаментов и, следовательно, сила, которую может развивать мышца, независим» от размеров. Мышцы мыши и слона развивают одинаковую силу на единицу площади поперечного сечения, т. е. сила мышцы, независима от масштаба. Это опять-таки эмпирическое наблюдение, а не фундаментальное свойство мышц, так как мышцьг многих беспозвоночных обладают несколько иными свойствами,, обусловленными разной длиной и структурой филаментов.
Не обладают ли мышцы насекомых во много раз большей силой, чем наши мышцы? Муравей может тащить в челюстях, добычу, которая во много раз тяжелее его собственного веса. Так, может быть, его мышцы необычайно сильны? Однако измерения показывают, что мышцы насекомых развивают такую же
•силу на единицу площади поперечного сечения, как и у позвоночных. То, что позволяет муравью казаться таким сильным, это просто следствие влияния размеров. С уменьшением раз* меров объем или масса животного уменьшается пропорционально третьей степени L, а площадь поперечного сечения мышц (которая определяет развиваемую силу) уменьшается лишь как квадрат L. Таким образом, сила, развиваемая мышцами относительно массы, увеличивается пропорционально уменьшению L. Именно по этой причине кажется, что мышцы муравья несравненно сильнее, хотя сила, развиваемая мышцей, независима от масштаба.
Независимы от масштаба многие другие структуры и функции. Из предыдущих глав мы узнали, что объем легких относительно размеров тела у млекопитающих постоянен и, таким ¦образом, независим от масштаба. То же относится к объему крови, концентрации гемоглобина, размерам эритроцитов и многим другим переменным. Размер сердца, по-видимому, относится к той же категории величин, независимых от масштаба, за исключением того, что самые мелкие птицы и млекопитающие преодолевают ограничение на максимальную частоту сердечных сокращений путем относительного увеличения размеров сердца по сравнению с размерами его у соответствующей группы в целом. Частота сокращений сердца не может превышать определенного предела (примерно 1300 ударов в 1 мин), поэтому увеличить сердечный выброс, так чтобы он соответствовал потребности в кислороде, землеройки и колибри могут единственным путем — увеличением размеров сердца и, следовательно, удар-лого объема.
Оптимальная конструкция
В этой книге многие утверждения основаны на допущении, что конструкция животного оптимальна. Использование избыточного материала для постройки ненужных структур дорого и бесполезно. Структуры следует строить так, чтобы они отвечали максимальным запросам, однако нет необходимости заходить за пределы разумной безопасности. Это ведет к оптимизации без расточительства и излишеств. То же относится и к энергии: мы предполагаем, что необходимые функции выполняются с максимальной экономией, и любой избыток — это расточительство не только бесполезное, но и вредное.
Живые организмы — это правильно функционирующие системы, в которых и строительные материалы, и химическая энергия используются экономно. В пределах ограничений, налагаемых физическими законами, мы можем предположить, что животные насколько это возможно устроены оптимально, по^
скольку эволюция немедленно устраняет все неэкономичное а расточительное. Каждый организм можно рассматривать как оптимальную для своих размеров и типа устройства конструкцию.
Вполне возможно, однако, что конструкция, оптимальная в одном отношении, не оптимальна в другом. Например, требование экономии материала может вступить в противоречие с требованиями, предъявляемыми к прочности структуры. Это означает, что разные требования должны быть сбалансированы, и для того, чтобы получить оптимальное решение, нам надо оптимизировать не каждый процесс в отдельности, а некоторую комбинацию двух процессов, которая может иметь единственное решение (Rashevsky, 1960). Фактически это аналогично концепции оптимизации в современной теоретической экономике.
Следующий шаг — это осознание того, что нужно не просто сбалансировать две переменные. Общее число возможных взаимосвязей в живых огранизмах ошеломляюще велико. Достаточно только вспомнить о множестве этапов в снабжении кислородом, которые все должны соответствовать интенсивности метаболизма. Структура и функция взаимосвязаны: дыхание,, размеры и площадь легких, расстояния диффузии, поток крови,, сердце, функция гемоглобина, капилляры, митохондрии, концентрация ферментов и т. д.—-кажущаяся бесконечной цепь взаимозависимых переменных. Недостаток наших знаний не позволяет нам создать общую картину взаимосвязанных процессов даже для простейших организмов. И при наших слишком ограниченных знаниях мы можем учитывать эффект различий в размерах тела только на самом упрощенном уровне. Тем не менее, имеющиеся у нас данные относительно размеров и их влияния уже дали нам много для понимания возможностей № ограничений, существующих в отношении влияния размеров, тела.
