Размеры животных. Почему они так важны - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
Если мы хотим увеличить высоту кирпичного дома, то знаем, что для этого следует заложить более мощный фундамент и возвести более мощные стены. Однако высота кирпичных строений имеет реальный предел, поскольку с увеличением высоты дома необходимо все более увеличивать толщину стен. Конечный предел дальнейшего увеличения высоты кирпичной постройки определяется прочностью кирпича. Поэтому, переходя к разработке проекта небоскреба, инженер меняет материал, из которого изготавливают основные несущие конструкции. Вместо кирпича он использует сталь. В этом случае ограничение преодолевается путем замены материала.
У инженера есть еще один путь: он может изменить проект. Пример тому — строительство длинных мостов. Замена элементов несущих конструкций, испытывающих сжатие, на элементы, испытывающие растяжение, дает возможность построить в 100 раз более длинный мост (рис. 2.1). Кирпич и камень хорошо сопротивляются сжатию, но их прочность на разрыв мала. Сталь, напротив, очень прочна на разрыв, и для поддержания элегантных конструкций, которыми современные строители перекрывают километровые пространства, достаточно относительно легких элементов.
Таким образом, если нам необходимо увеличить размеры конструкции, мы можем изменять три параметра:
1) размеры (т. е. делать более толстые стены);
Рве. 2.1. Прн значительном увеличении длины пролета моста следует изменить его конструкцию. Главные несущне элементы моста, поддерживаемого каменной аркой (внизу), нспытывают сжатие. Если увеличивать каменную арку, то есть опасность, что мост разрушится; для того чтобы этого не произошло, арочиый мост заменяют подвесным (вверху), в котором несущие элементы — напряженные стальные тросы. Камень выдерживает сильное сжатие, сталь, напротив, очень прочна на разрыв. (Из Schmidt-Nielsen, 1975а.)
2) материал (т. е. использовать сталь вместо кирпича);
3) проект (т. е. заменить силы сжатия силами растяжения).
Животные, как и инженеры, живут в физическом мире, где
и к тем и к другим применимы одни и те же законы. Инженер может сам разработать проект, выбрать размеры и материал. Биолог же, изучающий живые организмы, видит лишь конечный результат. Тем не менее он хочет понять законы, которые, собственно говоря, и делают животных тем, что они есть,— живыми функционирующими существами. С одной стороны, каковы преимущества определенных размеров, материала и проекта? С другой — каковы ограничения и препятствия, налагаемые каждым из этих трех физических параметров?
Какую шкалу следует выбрать биологу для определения размеров организма? Относительно легко измеряются два фундаментальных признака — масса и линейные размеры. Обычно предпочитают измерять массу, однако в ряде случаев оценка линейных размеров более удобна, более осмыслена и более информативна. Далее мы приведем несколько примеров.
В большинстве случаев, однако, выбор линейных размеров не так уж и прост. Какой размер наиболее показателен для оценки величины организма? Проблема очевидна. Например, мы хотим сравнить жирафа и носорога. Как нам найти подходящий линейный показатель, чтобы можно было делать обоснованные сравнения? Процедуру взвешивания, как известно,
можно произвести с большой точностью, не вызывает больших осложнений и определение структуры и формы, за исключением технических трудностей в тех случаях, когда мы имеем дело с такими крупными животными, как слон или кит. Кроме того, понятие массы фундаментально важно для таких существенных моментов, как прочность опорных структур (скелет), требования, предъявляемые к мышечной системе при перемещении, потребность в пище и т. д. Обычно с помощью массы можно адекватно оценить и объем тела, поскольку плотность тканей почти Всех животных близка к 1,0. Однако в известных пределах характерные линейные размеры могут быть подходящими и полезными показателями; об этом речь пойдет ниже, когда мы будем обсуждать вопросы, связанные с плаванием рыб.
Ограничения можно обойти, используя новую конструкцию
Несколько примеров с очевидностью покажут нам, что определенные размер и конструкция ведут к неизбежным биологическим последствиям. Например, плавать с помощью жгутиков и ресничек могут только очень мелкие организмы, а рыбы используют иной механизм поступательного движения. Покрытая ресничками парамеция за 1 с проплывает расстояние, во много раз превышающее размеры ее тела, тогда как гигантская акула, покрытая ресничками, не смогла бы сдвинуться с места. Дать более строгое объяснение, почему с этой точки зрения микроорганизмы и рыбы живут как бы в разных мирах, могут законы гидродинамики.
Еще одно различие между очень маленькими и очень большими организмами, которое представляется само собой разумеющимся, касается снабжения кислородом. На короткие расстояния диффузия осуществляется быстро, и кислород легко проникает во все части микроорганизма. Диффузия на большие расстояния осуществляется медленно, и для снабжения кислородом крупных животных одной диффузии совершенно недостаточно. Для усиления не столь эффективного процесса диффузии добавляется использование нового принципа — транспорта кислорода путем конвекции.
