Размеры животных. Почему они так важны - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
Масса гела, Г
Рис. 15.5. Метаболическая мощность у бражников в трепещущем полете в зависимости от массы тела (верхняя кривая) н аэродинамическая мощность, потребная для трепещущего полета (нижняя крнваи). Если продолжить обе линии регрессии, то они пересекутся в точке, соответствующей величнне массы тела, равной 100 г. (Из Casey, 1981).
был сконструирован с тщательным учетом всех возможностей и в 1979 г. смог пересечь Ла-Манш.
На первый взгляд может показаться маловероятным, что у насекомых существуют сходные ограничения на максимальные размеры, при которых возможно развитие мощности, необходимой для полета. Однако Кейзи (Casey, 1981), изучавший трепещущий полет ночных бабочек, обнаружил, что аэродинамическая потребная мощность растет при увеличении размеров быстрее, чем располагаемая метаболическая мощность. Аэродинамическая мощность для трепещущего полета растет как Air1*08, тогда как располагаемая метаболическая мощность растет как Мт0-” (рис. 15.5).
Если две линии на рис. 15.5 продолжить, то они пересекутся в точке, соответствующей массе тела около 100 г. Интересно, является ли чистым совпадением то, что 100 г — это предельный размер для птиц, способных зависать в воздухе дольше чем на несколько мгновений.
Трепещущий полет обходится в три раза дороже, чем машущий поступательный полет. Следовательно, максимальные размеры тела для поступательно летящей птицы должны быть в 81 раз больше максимальных размеров для птиц трепещущего полета. Эту величину мы получаем следующим образом. Если удельная метаболическая мощность снижается как Мт-0,25, то необходимо 81-кратное увеличение размеров, чтобы уменьшить удельную мощность в три раза. По отношению к максимальным размерам (100 г) для трепещущего полета, предел размеров для поступательного полета должен быть равным примерно 8 кг, что недалеко от реальности. И в этом случае наше очень предварительное вычисление, не имеющее в действительности хорошего теоретического обоснования, просто указывает на то, что эта область нуждается в экспериментальном исследовании.
Существует ли нижний предел размеров?
Верхний предел размеров для летающих птиц убедительно показывает, что существуют масштабные ограничения, которые препятствуют беспредельному увеличению размеров. А как обстоят дела с малыми размерами? Существуют ли иные ограничения, образующие нижний порог размеров для полета?
Мы знаем, что самые мелкие птицы — колибри, они весят около 2—3 г. Они не только обладают быстрым поступательным полетом, но и способны с видимой легкостью зависать на длительное время. Колибри, по-видимому, имеют самые мелкие размеры из возможных для птиц, но никак не самые мелкие для полета. Насекомые весом в малые доли миллиграмма превосходно летают, однако тут имеются ограничения, требующие новых механизмов полета.
При малых числах Рейнольдса генерация подъемной снлы путем классических движений крыла делается все менее и менее эффективной. Число Рейнольдса снижается с уменьшением скорости и с уменьшением линейных размеров, и силы вязкости начинают доминировать над инерционными силами. Крылья крошечной плодовой мушки окружены толстым пограничным слоем воздуха, который определяет низкие величины отношения подъемной силы к сопротивлению. Сопротивление возрастает, а подъемная сила, которую можно получить, становится все более недостаточной.
Эта ситуация и накладывает ограничения на малые разме-
ры. Уменьшение размеров ниже определенного предела переносит нас в мир, где действуют иные физические законы и для обеспечения подъемной силы должны, стало быть, использоваться совершенно иные механизмы. Вейс-Фог (Weis-Fogh, 1973) исследовал полет крошечной осы Encarsia. Это насекомое весом не более 0,03 мг, зависая при вертикальном положении тела, использует прием, который можно назвать механизмом сильных хлопков (clap-and-fling mechanism). Его крылья движутся с частотой 400 движений в 1 с, причем цикл движений начинается со смыкания крыльев за спиной. После этого крылья резко раскрываются, а в пространство между ними врывается воздух. Это резкое движение вызывает замкнутый вихрь воздуха вокруг каждого крыла, что и генерирует необходимую подъемную силу.
Масса тела Encarsia 0,03 мг, что на пять порядков меньше массы тела самого маленького колибри. Очевидно, что по аэродинамическим соображениям более мелкий колибри был бы осуществим, однако могут быть какие-то иные причины, определяющие нижний предел его размерам. Принципы снабжения тканей кислородом у птиц и насекомых в корне различны, и может быть именно в этом нам и следует искать объяснения. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе, где рассматривается нижний предел размеров тела млекопитающих и птиц, равный 3 г—размер землероек и колибри. Мы будем сравнивать их с насекомыми, которые могут и поддерживать повышенную температуру тела, и летать.
Цена транспорта
Имеет ли смысл сравнивать бег и полет? Сделать это трудно, однако, несмотря на фундаментальные различия, мы можем прийти к некоторым полезным выводам.
Ранее мы видели, что потребление кислорода при беге равномерно и линейно возрастает с увеличением скорости. У птиц ситуация совсем иная. Обычно для них характерна некоторая оптимальная скорость полета, при которой потребление кислорода минимально. При более быстром и более медленном полете интенсивность метаболизма увеличивается. При очень низких скоростях индуктивное сопротивление растет очень сильно, а при высоких скоростях мощность, необходимая для преодоления сопротивления трения и сопротивления давления, увеличивается пропорционально третьей степени скорости.
