Экология: биология взаимодействия. 5.11. Особенности организмов, связанные с их размерами

 

5.10. Концепция стресса по Селье

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 5. Аутэкология и основы средоведения

5.12. Состав солнечной радиации

5.11. Особенности организмов, связанные с их размерами

Задумывались ли вы над тем, почему травинка может иметь тонкий гибкий стебелек, а высокие деревья имеют толстые прочные стволы? Почему не может быть высокого дерева с пропорциями травинки? Почему крупным животным тяжелее носить свой вес, чем мелким, и почему доля скелета в объеме и весе их тела является намного большей?

Рассмотрим упрощенный пример (рис. 5.11.1). Линейные размеры организма (длина тела и, пропорционально, все его прочие измерения) увеличивается в два раза. Площадь поверхности этого организма увеличится не в два раза, а в четыре (2×2). Объем такого организма увеличится еще больше — в восемь раз (2×2×2)! Причина неравномерного возрастания линейных размеров, площади и объема весьма проста и коренится в элементарных геометрических закономерностях. С ростом линейного размера тела его площадь и площадь любых его сечений растет пропорционально размеру в степени 2, а объем — пропорционально размеру в степени 3. Площадь пропорциональна квадрату линейных размеров, а объем — кубу!

Рис. 5.11.1. Увеличение размера куба вдвое приводит к тому, что отношение его поверхности к объему становится в два раза меньше

Прочность опорных структур (стебля растения, скелета животного) приблизительно пропорциональна их площади поперечного сечения. Однако вес тела, который приходится удерживать таким структурам, растет быстрее: он пропорционален объему тела. Итак, если пропорции тела при увеличении его размеров вдвое не изменятся, его возможности поддерживать собственный вес уменьшатся в два раза — оно как бы станет в два раза тяжелее для самого себя! Итак, по мере роста организм становится все тяжелее и тяжелее для себя самого.

Вспомните, как ходит маленький ребенок: он достаточно часто спотыкается и падает. Падение с высоты собственного роста может вызвать слезы, но почти никогда не приводит к серьезным травмам. К сожалению, для взрослого человека, который имеет намного более прочный скелет, падение с высоты собственного роста может быть намного более опасным (угрожая, к примеру, переломами).

Подобные указанным закономерности отражаются не только в поддержании собственного веса. Например, маленьким животным намного легче летать, чем крупным. Подъемная сила летающих животных пропорциональна площади их крыльев или других поддерживающих их в воздухе структур, то есть растет пропорционально квадрату их линейных размеров. Сила мышц также растет пропорционально квадрату линейных размеров: она пропорциональна площади поперечного сечения мышц. А вот вес с увеличением размеров организма возрастает существенно быстрее: пропорционально кубу размеров, ведь он определяется объемом тела. Небольшой тле, чтобы взлететь, достаточно иметь маленькие крылышки со слабой мускулатурой. В отличие от тли, альбатросу, чтобы взлететь, нужно иметь тело, вся конструкция которого подчинена задаче облегчения веса и увеличения подъемной силы. Альбатрос с размахом крыльев в 3,5 метров весит всего лишь около 15 кг!

Обратите внимание, что обсуждаемые соображения не связаны со спецификой живых организмов. Например, в силу аналогичных соображений пылинка легко парит в воздухе, а булыжник, который состоит из того же материала, что и пылинка, и имеет такую же форму, оказавшись в воздухе без опоры, стремительно рухнет вниз.

Мы убедились, что по мере роста организма происходит изменение его отношений с его собственным весом. Но и новорожденный, и взрослый человек принадлежат примерно к одному размерному классу: длина их тела отличается не более чем в 4-5 раз. А как отличаются условия жизни организмов, несопоставимых по своим размерам?

Мы можем очень условно разделить земные организмы на три группы (размерных класса) в зависимости от их размеров. К микромиру принадлежат организмы, размер которых обычно менее миллиметра. Мезомир — область размеров от миллиметров до десятков сантиметров. Макромир — совокупность животных, размер которых превышает несколько десятков сантиметров (достигая иногда десятков метров). К каждому размерному классу принадлежат организмы, размер которых может отличаться в сотни раз (следует учесть, что в другом контексте, например, в физической литературе, термины микро-, мезо- и макромир могут использоваться и в ином значении). Различия в размерах организмов разных размерных классов приводят к тому, что факторы среды действуют на них принципиально по-разному!

В микромире сила земного притяжения практически не ощущается. Организмы этого размерного класса с легкостью парят в воде и могут даже удерживаться в потоках воздуха, как пыль. Зато поверхностные силы (сила поверхностного натяжения, капиллярный эффект) для организмов микромира практически непреодолимы. Некоторые из существ микромира весьма сложно устроены (например, инфузории), но для них не характерно наличие специальных физиологических систем, усиливающих газообмен. Столь мелкие организмы имеют очень высокое отношение площади поверхности тела к его объему. Расстояние от любой точки их тела до поверхности весьма невелико, и концентрации газов или иных веществ быстро выравниваются. Так же быстро выравнивается и разница температур. Температура тела организмов микромира всегда такая же, как у окружающей их среды.

Организмы мезомира «чувствуют» и силу притяжения, и поверхностные силы, но в то же время способны успешно их преодолевать. Вспомните бегающих по поверхности воды водомерок или ползающих по пленке поверхностного натяжения прудовиков. Многие из организмов мезомира, например муравьи, легко поднимают массу, во много раз превосходящую массу их тела. При этом представители этого размерного класса имеют развитую дыхательную и циркуляторную системы. Кстати, то, что у насекомых функции газообмена и циркуляции разделены, является следствием того, что эти животные возникли именно в среднем размерном классе. Газообмен обеспечивается у них благодаря системе трахей, подводящих воздух чуть ли не к каждой клетке, а циркуляцию веществ в организме обеспечивает гемолимфа. При увеличении размеров тела его объем растет быстрее, чем площадь поверхности (в том числе площадь поверхности трахей), затрудняется перемещение воздуха внутри вытянутой в тонкую трубку трахеи, и организм начинает испытывать затруднения с газообменом. Это одна из главных причин того, почему насекомые не вышли из мезомира в макромир. Зато достаточно многие из животных мезомира оказываются способны к полету. Растения и грибы мезомира имеют определенные опорные структуры (чаще всего «работающие» благодаря тургору), но обычно сохраняют определенную эластичность своих тел.

Наконец, в макромире основная сила, которую приходится преодолевать, — сила земного притяжения. Наши мышцы почти не чувствуют силы сопротивления поверхностной пленки воды, зато должны постоянно напрягаться, поддерживая наш вес. К полету способны только немногие представители макромира, причем самые некрупные. За небольшим исключением, животные макромира имеют внутренний скелет; подавляющее большинство из них — позвоночные. Кроме них, макроразмеров (в водной среде) достигли и головоногие моллюски, в первую очередь — кальмары. Интересно, что остаток внутренней раковины кальмаров формирует в их теле внутреннюю опору, немного напоминающую по своим свойствам хорду.

У растений макромира (например, деревьев) значительная часть тела занята жесткими механическими тканями. Грибы, если и достигают макроразмеров, фактически остаются в мезомире, так как располагаются внутри какого-то субстрата или на его поверхности.

Конечно, организмы микро-, мезо- и макромира связаны друг с другом переходами, однако тяжело даже представить себе, насколько для них отличаются свойства окружающей их среды! Вы, наверное, сталкивались с рассуждениями, когда особенности организмов одного размера распространяются на других, существенно отличающихся по своей величине. Человек не может прыгать на такую высоту (относительно своего тела) как блоха, нести груз, превышающий свой вес во столько же раз, как муравей, или двигаться с такой же относительной скоростью, как муха, не потому, что он «сделан» хуже. Человек попросту принадлежит к иному размерному классу!

Поскольку по мере роста организма меняются соотношения между его различными параметрами: площадью поверхности и объемом, силой мышц, прочностью скелета и весом и т.д., у подавляющего большинства организмов рост связан с изменением пропорций.

Поэтому мы с легкостью отличим фотографию ребенка от фотографии взрослого, даже если нам не будут ясны размеры изображенного на ней человека. Ребенок и взрослый отличаются по пропорциям. У ребенка намного больше и круглее голова, короче руки и ноги. По мере роста происходит непрерывное изменение пропорций, и это свойственно не только человеку, но и всем современным животным и растениям.

Изменение пропорций по мере роста организма Джулиан Хаксли назвал аллометрическим ростом (аллометрией). Одно из самых простых уравнений, которые вполне неплохо описывают такой рост, называется уравнением Хаксли: y=bxa, где y — размер какого-то органа, — размер организма в целом, b и a — константы аллометрического роста.

Например, если какой-то орган увеличивается ровно настолько, чтобы его площадь поверхности (или площадь поперечного сечения) росла пропорционально объему организма в целом, константа аллометрии a  будет равняться 1,5.

Если бы рост организма происходил с сохранением пропорций (т.е. был бы изометрическим), соответствующее уравнение имело бы вид просто y=bx. Например, вероятно, что многие из организмов, населявших Землю в вендский (эдиакарский) период, росли изометрически, без изменения пропорций. Это одно из весомых оснований не считать вендобионтов настоящими животными.

Аллометрический рост можно зарегистрировать, сравнивая организмы разного размера. В соответствии с тем, какие особи сравниваются друг с другом, можно выделить такие формы аллометрии:

— онтогенетическая аллометрия, прослеживаемая в ходе онтогенеза особи или устанавливаемая при сравнении разновозрастных особей одного вида;

— внутривидовая аллометрия, обнаруживаемая при сравнении особей на одной стадии развития (обычно взрослых), которые отличаются друг от друга по размеру;

— межвидовая аллометрия, выявляемая при сравнении средних значений исследуемого признака, характерных для особей (как правило, взрослых) разных видов, принадлежащих к одной группе;

— эволюционная аллометрия — межвидовая аллометрия в ряду филогенетически преемственных форм.

 

Дополнительные материалы:

Учебная модель: Зависимость пропорций тела животного от его размеров

 

5.10. Концепция стресса по Селье

Д. Шабанов, М. Кравченко. Экология: биология взаимодействия

Глава 5. Аутэкология и основы средоведения

5.12. Состав солнечной радиации