Размеры животных. Почему они так важны - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
Конвекция имеет большое значение независимо от того, происходит ли она внутри организма или вне его. Конвекция во внешней среде называется вентиляцией, причем не важно, получает ли животное кислород из воды или из воздуха и имеет ли оно жабры или легкие. Конвекция жидкостей внутри организма называется циркуляцией. Таким образом, с увеличением размеров животных приобретает значение новый принцип — транспорт веществ путем конвекции.
Для перекачивания жидкости вне или внутри организма необходима энергия. Уменьшить работу по перекачиванию жидкости внутри организма можно при использовании еще одного нового принципа. Если к жидкости добавлен дыхательный пигмент, например гемоглобин или гемоцианин, то ее способность переносить кислород увеличивается примерно в 100 раз. При этом уменьшается необходимый объем жидкости, что на два порядка снижает количество энергии, требуемой для перекачивания. Таким образом, и в этом случае использование новой конструкции позволило преодолеть определенные ограничения и, следовательно, потенциальные препятствия к увеличению размеров организма. Совершенно очевидйо, что без гемоглобина и кровообращения не могли бы возникнуть крупные подвижные млекопитающие, какими мы их знаем сегодня.
Существуют, однако, другие способы быстрого транспорта кислорода внутри организма, и в этом отношении насекомые пошли своим независимым путем. Доставка кислорода обеспечивается у них не путем конвекции в жидкости, а путем диффузии в газе. Дыхательная система насекомых состоит из трубочек (трахей), которые пронизывают все тело; поскольку коэффициент диффузии кислорода в воздухе примерно в 10 000 раз больше, чем в воде, эта система обеспечивает достаточное снабжение кислородом без помощи крови. Тем не менее у многих высокоподвижных насекомых усиление вентиляции в дыхательной системе достигается путем активного накачивания воздуха в главные стволы трахейной системы, т. е. путем использования конвекции. Даже такое мелкое насекомое, как плодовая мушка (Drosophila), активно вентилирует грудные сегменты, чтобы усилить снабжение кислородом мышц крыльев при полете (Weis-Fogh, 1964).
Поскольку у насекомых кровь не участвует в транспорте кислорода и поскольку диффузия с увеличением расстояния идет все медленнее, возникает вопрос, не связаны ли ограничения в размерах насекомых с особенностями их дыхательной системы? Не потому ли все насекомые имеют мелкие размеры? Или же у гипотетического сверхгигантского насекомого наиболее глубоко расположеные органы все же могли снабжаться достаточным количеством кислорода? Другие членистоногие, в особенности самые крупные крабы, бывают в 1000 раз больше самых крупных насекомых. Крабы дышат жабрами, а в крови у них содержится переносящий кислород пигмент гемоцианин. Вместе с тем, основываясь на известных нам данных, можно предположить, что размеры трахейной системы вполне подходят для переноса газов, поскольку вентиляция крупных трахей происходит активно, и поэтому расстояние, на которое должна происходить диффузия, уменьшается.
Быть может, строение других систем ограничивает размеры насекомых? Возможно, ограничения определяются строением их тела, а именно свойствами наружного скелета. Мы еще не поняли до конца принципы организации такого скелета, однако некоторые последствия наличия наружного скелета и ограничения, накладываемые им, нам известны (Сиггеу, 1967). Наружный скелет обеспечивает защиту и опору, а требования к опоре в воздушной среде и в воде различны. Все действительно крупные членистоногие — водные животные. Рекордсмен среди них — это, по-видимому, японский краб-паук, длина ног которого достигает 4 м (Schmitt, 1965). Позже мы рассмотрим механические свойства скелета, а также преимущества и ограничения, связанные с размерами тела.
Подобие
Геометрическое представление о подобии впервые обрело точный смысл примерно 2000 лет назад. В евклидовой геометрии два треугольника подобны, если отношение соответствующих сторон одинаково, а соответствующие углы равны (рис. 2.2). Четвертая теорема Евклида гласит, что если два треугольника имеют равные углы, то соответствующие стороны пропорциональны. Справедливо и обратное утверждение. Если соответствующие стороны пропорциональны, то соответствующие углы равны. О таких треугольниках говорят, что они геометрически подобны.
В двух геометрически подобных треугольниках (рис. 2.2) две соответствующие стороны L\ и L2 связаны между собой следующим образом:
L2 = kLLx или ^- = kL.
Другие соответствующие стороны также связаны между собой отношением kL, которое можно назвать отношением подобия. То же самое справедливо и для других линейных показателей, таких, как высоты треугольников; отношение всех соответствующих друг другу линейных величин равно kL.
Эти рассуждения остаются в силе и для других геометрически подобных фигур; их можно распространить также и на трехмерные тела. Любые соответствующие друг другу линейные показатели двух геометрически подобных тел — будь это кубы, пирамиды, конусы или тела более сложной формы — имеют одно и то же постоянное отношение.
