Размеры живых существ почему они так важны Размеры

Размеры живых существ: почему они так важны? Размеры это одна из самых важных характеристик животного. Мы знаем, что слон значительно крупнее мыши, но редко задаемся вопросом: во сколько же раз он крупнее; оказывается, что слон в 100000 раз тяжелее мыши. Самая мелкая взрослая землеройка меньше мыши в 10 раз, что составляет одну миллионную долю слона.

Мир, в котором мы живем, управляется законами физики и химии, и животные должны жить в пределах, определяемых этими законами. Размеры тела оказывают глубокое влияние на структуру и функцию и для выживания организма его размеры имеют решающее значение.

Рассмотрим табл. 1. 1; в ней отражены различия в размерах живых организмов. Каждая строка таблицы представляет тысячекратную разницу в размерах, причем самый маленький и самый крупный организмы различаются в 1021 раз. Голубой кит, масса тела которого может превышать 100 т, самое крупное из ныне существующих животных; но гигантские калифорнийские секвойи в 10 15 раз больше самых крупных китов. 3

4

Микоплазма самое мелкое из известных живых существ, способное жить и размножаться в искусственной среде. В ее клетке имеется не более 2 водородных ионов. В этом объеме клетка должна содержать необходимый для обмена веществ набор белков и ферментов, способный обеспечить ее жизненные процессы; способность к росту и размножению, и полную генетическую информацию, необходимую для воспроизведения всей этой системы в целом. Поскольку макромолекулы, несущие метаболические и генетические функции, важны и их размер уменьшить нельзя, клетка микоплазмы являет собой реальный нижний предел размеров живого организма. 5

На другом конце размерного ряда находится 100 тонный голубой кит. Вероятно он смог стать таким большим потому, что его гигантскую массу поддерживает вода. Считают, что наземное животное с такой же массой было бы раздавлено собственным весом. Самое крупное наземное животное 5 тонный слон. То обстоятельство, что значительно более крупные киты ведут водный образ жизни, было использовано как свидетельство того, что животные, которые по размерам сильно превосходят слона, на суше жить не могут. В свою очередь это легло в основу предположения о том, что вымершие гигантские динозавры были слишком массивными. 6

Подобие Геометрическое представление о подобии впервые обрело точный смысл 2000 лет назад. В евклидовой геометрии два треугольника подобны, если отношение соответствующих сторон одинаково, а соответствующие углы равны. 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. 7

Геометрически подобные тела часто называют изометрическими, и мы будем пользоваться этими терминами как синонимами, отдавая все же предпочтение термину «изометрический» , поскольку он короче. Итак, термин «изометрический» - это четко определенное понятие геометрического подобия. 8

Последнее уравнение просто утверждает, что с увеличением объема тела его поверхность увеличивается не в той же пропорции, а как объем в степени 2/З. Этот факт очень важен, и о нем не следует забывать. Выразим это элементарное соотношение графически. Для простоты рассмотрим площади поверхностей кубов разных объемов (рис. 2. 4). 9

10

Как видим, кривая соответствует уравнению S = 6 V 2/3 и повторяет словесное утверждение о том, что площадь поверхности куба увеличивается не так быстро, как его объем. Однако, если мы решим изобразить графически ту же зависимость, но с использованием логарифмического масштаба, то получим другой график (рис. 2. 5). 11

12

Зависимость поверхности изометрических тел от объема, изображенная графически в логарифмическом масштабе, есть прямая линия с наклоном 0, 67 (наклон определяется как ДУ/ДХ). Таким образом, меньшие тела имеют большие площади поверхности по отношению к их объему, чем более крупные тела той же формы. Это можно выразить путем деления уравнения (3) на V: 13

Аллометрическое изменение масштаба (scaling) Реальные организмы обычно не изометричны, даже если они организованы сходным образом. В биологии такое неизометрическое изменение размеров (scaling) часто называется аллометрическим (от греч. alloios - различный). Большинство переменных связано с размерами тела зависимостью, выраженной общей формой аллометрических уравнений: у=а*хb, lgy= lga + b lg х. 14

15

16

Рассмотрим пример: сердце млекопитающих с определенным допуском на изменчивость составляет 0, 6% массы тела, а объем крови у млекопитающих составляет 5% массы тела. Напишем оба этих утверждения в виде уравнений : Мсердца: Мтела = 0, 006, Мкрови : Мтела = 0, 05. Поскольку обе величины массу сердца и массу крови мы относим к массе тела, то они должны быть связаны и между собой, поэтому мы можем написать: Мкрови /Мсердца ==0, 05/0, 006 Это уравнение утверждает, что масса крови у млекопитающих в восемь раз больше массы сердца. Полученное соотношение описывает объем крови и размеры сердца у млекопитающих и в общем применимо к животным с любыми размерами тела будь то мышь или слон. 17

В аллометрическом уравнении у=ахb соответствующей линии регрессии имеются два важных числовых элемента: коэффициент пропорциональности а (который зависит от выбора единиц измерения) и показатель степени b (который определяет наклон линии регрессии). Эти два элемента уравнения имеют различное значение и отвечают на разные вопросы. 18

Использование аллометрических уравнений Для широкого использования аллометрических уравнений в биологии существуют основательные теоретические причины и эмпирическое использование таких уравнений очень полезно. Несколько примеров помогут понять, насколько полезны и удобны аллометрические уравнения, когда они описывают биологические структуры и функции. 19

Аллометрическим уравнением для выражения биологической взаимосвязи впервые воспользовался Снелл в 1891 г. (Sпеll, 1891). Он разрабатывал метод сравнения умственных способностей различных млекопитающих в зависимости от размеров их мозга. У крупных млекопитающих мозг составляет меньшую часть по отношению к массе всего тела. Для этого Снелл составил уравнение, выражающее массу мозга млекопитающих, которое выглядит так: Ммозга=а. Мт в 20

Показатель степени Снелл назвал «соматическим показателем» и обозначил символом S, одинаков для всех млекопитающих и очень близок к 0, 68 (т. е. размеры мозга увеличиваются с размерами тела млекопитающих почти в точном соответствии с увеличением поверхности тела). Этот вывод, найденный столетие назад, показывает, что отношение массы мозга к массе тела (в кг) у млекопитающих хорошо описывается уравнением Ммозга = 0, 01 Мт 0, 70. 21

Аллометрические уравнения выражают удобные и ценные обобщения, но существуют определенные пределы их использования; необходимо запомнить следующие положения: 1) аллометрические уравнения описательны - это не биологические законы; 2) аллометрические уравнения служат для того, чтобы показать, как при прочих равных условиях (чего обычно не наблюдается) разнообразные количественные признаки связаны с размерами тела; 3) аллометрические уравнения инструмент, позволяющий обнаружить принципы и связи, которые иначе остались бы 22 скрытыми;

4) аллометрические уравнения служат основой для сравнений, и с их помощью можно обнаружить отклонения от некоей общей модели. Такие отклонения могут быть обусловлены «шумом» или могут представлять собой существенный вторичный сигнал; 5) аллометрические уравнения полезны для оценки рассчитываемой величины при некоторых вариациях органа или функции для данного размера тела; 6)аллометрические уравнения нельзя использовать для экстраполяции за границами данных, на которых они основаны. 23

В чем смысл уравнений регрессии метаболизма? Вернемся к теплокровным позвоночным птицам и млекопитающим. У них эмпирические соотношения между интенсивностью метаболизма и размерами тела установлены с большей определенностью, чем у холоднокровных позвоночных и беспозвоночных, и причина этого связана с их относительно постоянной температурой тела. Чтобы понять правильный характер связей с размерами тела, нужно рассмотреть те группы, которые изучены лучше всего, хотя бы с физиологической точки зрения. 24

Температура тела 25

Оказывают ли климатические условия влияние на температуру тела животных то есть, что у арктических и тропических млекопитающих температура различна? Ирвинг и Крог показали, что нет каких либо значительных различий. Средняя температура тела у 19 арктических и субарктических млекопитающих в условиях покоя была 38, 30 С, незначительно, но достоверно выше средних данных, представленных Моррисоном. 26

Колдер и Кинг показали, что температура тела, измеренная у птиц в покое с минимальными его нарушениями, не зависит от размеров тела. Найденное ими среднее значение 40± 1, 50 С, почти на 20 С выше обычной температуры тела у млекопитающих. У сумчатых температура тела равна примерно 360 С, т. е. на 20 С ниже, чем у плацентарных млекопитающих. Самые примитивные из живущих сейчас млекопитающих это яйцекладущие однопроходные, представленные ехидной и утконосом нормальная температура тела держится на уровне 30 310 С. 27

Каждая большая группа высших позвоночных характеризуется своей собственной температурой тела в покое, колеблющейся в пределах +10 С или около этого; у птиц это 400 С; у плацентарных млекопитающих 380 С, у сумчатых 360 С, 0 у однопроходных 30 С. Хотя для разных групп эти показатели различаются, внутри каждой группы температура тела в покое постоянна и никак не связана с размерами тела. 28

Правило поверхности Если температура тела у мелких и крупных млекопитающих одинакова, то почему же тогда относительная теплопродукция у мелких млекопитающих выше? Ответ известен всем биологам: у небольшого животного относительно его массы больше поверхность тела. Потери тепла происходят через поверхность, и для того чтобы не снизилась температура тела, животное должно производить тепло со скоростью, равной скорости его потери. 29

Это рассуждение было принято Бергманом (Bergmann, 1847), который сформулировал хорошо известное правило, носящее теперь его имя: у теплокровных животных, обитающих в более холодном климате, размеры тела больше (т. е. у них относительно меньше внешняя поверхность), чем у родственных им видов, обитающих в более теплом климате. 30

Первую экспериментальную проверку соотношения между теплопродукцией и площадью поверхности тела провел Рубнер свыше ста лет назад (Rubner, 1883). Он изучал теплопродукцию (измеряемую по потреблению кислорода) у собак разных размеров и установил, что чем меньше собака, тем выше у нее теплопродукция на 1 кг массы тела (табл. 7. 2). 31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41