Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером

в 13:33, , рубрики: землеройки, кислород, клетки, метаболизм, Научно-популярное, слоны

Н-да, с этим животным явно что-то не так:

Погода, очевидно, холодная, и всё же этот крохотный комочек меха мечется по льду, что-то выискивает, вынюхивает, бросается туда и сюда, без перерывов, без отдыха – постоянно охотится, охотится, охотится. Землеройки обычно так себя и ведут. На видео – короткохвостая землеройка. Землеройки – очень странные животные. Они не замедляются, они редко спят. Они ведут себя, как плотно сжатые пружины, постоянно тратят уйму энергии, а потом, при необходимости, тратят ещё. Они могут весить меньше монетки, и постоянно должны есть, двигаться, охотиться. Никакое другое животное так себя не ведёт.

image

Эта мелкота – самое лёгкое млекопитающее, известное науке. Эта землеройка обитает на Средиземноморье и кое-где в Азии. Она известна, как этрускская землеройка, или карликовая многозубка, и, как наша знакомая с видео, она постоянно движется – в среднем совершая 13 движений в секунду. Представьте, что вы пытаетесь сделать что-нибудь (да хотя бы моргнуть) 13 раз в секунду. Безумие.

Чтобы поддерживать такой темп, её сердце бьётся быстрее, чем у колибри (рекордные 1500 ударов в минуту). Поэтому землеройкам нужно сжигать очень много горючего. Поэтому им постоянно приходится вдыхать воздух и жадно есть. Каждый грамм её тела использует в 67 раз больше кислорода, чем у людей, и каждый день она съедает почти в два раза больше собственного веса – это просто, чтобы остаться в живых. В два раза больше собственного веса!

Землеройка может умереть от голода, не поев всего 4-5 часов.

Исходя из этой необходимости, землеройки проводят свою жизнь в яростной охоте, хватании и кусании. Если сходить на YouTube и поискать "Shrew vs", можно увидеть, как они сражаются против безумного количества страшных животных (включая скорпионов и змей). И мы бы не стали делать ставки против землероек.

image

Тут что-то не так

Но что-то в связи с этими землеройками вызывает определённое беспокойство (кроме настораживающей лёгкости, с которой они способны уничтожить подвязочную змею. Это ведь экстремальная форма жизни.

Просто чтобы вы оценили их аппетит (и не только у землероек, а вообще у всех мелких млекопитающих), проведём следующее упражнение. Ниже вы видите двух млекопитающих, одного большого и одного маленького. Сверху изображена полёвка (небольшой пушистый грызун размером с мышь), снизу – африканский слон, крупнейшее наземное млекопитающее в мире. Как полёвки, так и слоны любят есть траву. Перед каждым из них нарисована куча свежей травы.

Ваша задача – подстроить размер порции травы, которую животное должно съедать ежедневно. Доверьтесь интуиции и передвиньте регулятор так, чтобы порция стала нужного размера [перетащить интерактив на JavaScript на GeekTimes нельзя, поэтому желающие могут обратиться к оригиналу статьи – прим. перев.].

Не совсем то, что вы ожидали, верно? Мы-то думали, что полёвке нужно будет меньше корма, раз она такая мелкая. Однако же нет – ежедневный рацион полёвки достигает 80% её веса, а у слона – всего 5%. То есть, если судить относительно размера, аппетит полёвки сильно превышает аппетит слона. Каждому грамму полёвки нужно в 16 раз больше корма, чем грамму слона.

Почему? Здесь что-то не так. Что, если крупные и мелкие животные устроены по-разному? Буквально, прямо с самых основ.

Большая идея

Если вы подержите в руке небольшое животное, например, мышь (не пытайтесь удержать землеройку, она вас укусит), вы почувствуете, как энергия в ней гудит и прямо-таки льётся через край. Множество мелких животных (мыши, бурундуки, белки) ведут себя так же. С другой стороны, крупнейшие животные (слоны, киты, носороги) живут медленнее и спокойнее. Очевидно поверхностное различие между крупными и мелкими животными, но насколько глубоко эти отличия укореняются?

На первый взгляд, слон и полёвка не сильно отличаются.

Оба – млекопитающие. Состоят из клеток. Живут на поверхности, едят, испражняются, дышат кислородом, двигаются. Слона можно представить себе как очень-очень большую полёвку, обладающую другой формой и увеличенными костями для поддержания огромного веса, но при этом работающую на тех же принципах.

Но остаётся загадка обеда. Если кусочек слона может выжить на 1/16 части корма, требующегося такой же по размеру полёвке, то они должны как-то отличаться внутренне. Но как?

Большое против маленького – глубинные различия

Вот вам ещё одна подсказка, на графике.

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 3
[в оригинале статьи дана интерактивная версия графика – прим. перев.]

Каждая точка на графике обозначает отдельное животное. Слева направо размер животных увеличивается. Самая левая точка – карликовая многозубка, весящая меньше монетки. Правее неё мышь, белка, кролик, лиса, лев, тигр и так далее. С правого края – слон.

На графике обозначен аппетит животных, но не к траве, а к кислороду. График ищет ответ на вопрос: какие животные настолько много двигаются, что потребляют больше кислорода на единицу веса? То есть, если взять небольшой кусочек одного размера от землеройки, лисы, льва и слона, какой из них потреблял бы больше кислорода?

Прослеживается та же тенденция, что и с едой. Самые мелкие животные (землеройка, полёвка) потребляют кислород гораздо быстрее (поэтому они выше на графике). С переходом на более крупных животных их потребность в кислороде снижается. При передвижении вправо точки стоят всё ниже.

Как с едой, которой на единицу веса полёвки нужно в 16 раз больше, чем слону, так и с кислородом, которым они дышат. На единицу веса полёвка потребляет в 11 раз больше кислорода, чем слон.

Поэтому слона нельзя назвать гигантской полёвкой. У крупного животного метаболизм работает медленнее – он потребляет меньше воздуха, сжигает меньше топлива и излучает меньше тепла, чем мелкое существо. И это обязательно должно быть именно так. Чтобы узнать, почему, необходимо провести мысленный эксперимент. Хорошо, что эксперимент не настоящий, ибо он включает в себя самовоспламеняющегося слона.

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 4

Загадка взрывающегося слона

Возьмём крупное млекопитающее и поместим его рядом с мелким. Как можно видеть, слон гораздо крупнее мыши.

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 5

Насколько крупнее? Мышь весит примерно 20 грамм, слон – 5000 кг. Иначе говоря, в 250 000 раз крупнее. Но есть проблема. Объём животного с увеличением роста растёт быстрее, чем его площадь поверхности (кубическая степень против квадратной). Если бы мышка выросла в 250 000 раз, в её теле содержались бы триллионы и триллионы тёплых клеток, поэтому оно было бы очень горячим. Площадь поверхности её кожи, отводящей тепло, тоже увеличилась.

В этом и проблема. Внутри слона есть триллионы горячих клеток, но у него не хватает поверхности, чтобы выпустить это тепло. Его объём в 250 000 раз больше, чем у мыши, а площадь поверхности всего в 5000 раз больше – то есть, огромному количеству энергии некуда деваться.

И если бы слон сжигал горючее с такой же скоростью, как у мыши или землеройки, его внутренности ужасно накалились бы, и в какой-то момент он бы просто взорвался!

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 6

Но слоны не взрываются. Наш друг, воображаемый слон, удивлённый тем, что существует, спрашивает: «А разве не для отвода дополнительного тепла служат мои большие уши?»

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 7

В самом деле, слоны используют свои большие и тонкие уши для рассеивания тепла на манер автомобильного радиатора – большая площадь поверхности хорошо излучает тепло. Но в отличие от радиатора, у ушей слона нет достаточно площади для того, чтобы избавиться от тепла, которое мы с вами обсуждаем.

Если бы у слона было достаточно кожи, чтобы выпускать всё это тепло, он обладал бы огромным количеством складок, как гигантский шарик для гольфа, или, как говорит Джон Боннер, профессор из Принстоновского университета, как «гигантский грецкий орех».

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 8

Так почему же настоящие слоны не воспламеняются? Мы уже знаем ответ – слоны не сжигают топливо с такой же скоростью, как мыши. Именно поэтому для их размера у них довольно скромный аппетит.

Заглянем глубже

Если зарыться глубже, и добраться до типичной клетки слона, а затем сравнить её с типичной клеткой мыши – окажется, что две этих клетки ведут себя по-разному.

Клетки слонов нельзя назвать ленивыми. Они всё время работают, но, по сравнению с мышиными, клетки слона делают работу медленнее, сжигают для её выполнения меньше топлива, и благодаря повышенной эффективности, остаются холоднее (правда, некоторые, определённые клетки крупных животных не вписываются в эту схему).

Поэтому слоны (и мы, к счастью, тоже) не склонны к самовоспламенению. Слон построен из более холодного вещества, чем мышь. И хотя у слона в теле гораздо больше мелких нагревательных элементов, каждый из них работает с установленной на малую величину температурой. Как пишет Джон Боннер:

Крупные животные в принципе не могли бы существовать, если бы у их клеток метаболизм не был бы замедлен. Они бы либо померли с голода, либо воспламенились бы, либо это произошло бы одновременно.

Как мы теперь знаем, землеройки находятся на другом краю шкалы. Они созданы из более голодного и горячего вещества. Они похожи на мексиканские прыгающие бобы в шейкере [Эти семена поражаются гусеницами, и если резко разогреть такой боб, то гусеница внутри начнёт сокращаться, дёргая при этом за нити и заставляя боб двигаться // прим. перев.].

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 9

Без своих крохотных обогревателей, настроенных на максимальный разогрев, землеройки бы замёрзли и умерли. Это объясняет их адский аппетит. Они так голодны, потому, что голодны их клетки. Если землеройка не сможет найти еду, тогда, как пишет Джон Боннер, она испытает «необратимые внутренние повреждения через несколько часов». Она умрёт с голоду.

Все мышцы карликовой многозубки относятся к быстро сокращающейся разновидности – среди них нет ни одного волокна медленно сокращающихся мышц – и из-за этого она превосходит даже самых быстрых из человеческих спринтеров. Её клетки набиты митохондриями, микроскопическими источниками питания клеток. Именно эти сверхспособности позволяют мускулам многозубок сокращаться быстрее, чем у любого другого из известных существ. Она дышит 15 раз в секунду, совершает 13 движений в секунду и дрожит 60 раз в секунду. Именно из-за этих клеток многозубки всё время так голодны.

Маленькое отличается от большого

Поэтому на клеточном уровне скорость метаболизма каждого существа – количество потребляемого кислорода, сжигаемой энергии, испускаемого тепла – подстроено в результате эволюции, чтобы решать проблемы, связанные с его размером. Большие существа не являются гигантскими версиями маленьких, они созданы из более холодных и спокойных частей. Их внутренние печки работают медленнее.

Насколько нам известно, это правило работает для большинства животных планеты, не только для млекопитающих, но и для птиц, рыб, ракообразных, улиток, амфибий, рептилий, насекомых, и т.п. Из-за этого правила наши млекопитающие предки смогли вырасти из дёргающихся, резких, похожих на землеройку существ, скрывавшихся в норах под миром динозавров, в неуклюжих гигантов, населяющих наш сегодняшний мир.

И хорошо, что такая разница существует. Представьте, что было бы, если бы у крупных животных был такой же темперамент, аппетит, потребности, как у неистово голодной землеройки? Это было бы так ужасно, что было бы похоже на голливудский фильм!

Почему слоны не взрываются: как природа справляется с крупным размером - 10

Художественный фильм "Землеройки-убийцы" [The Killer Shrews] 1959 года рассказывает про симпатичного капитана Лорна Шермана, продовольственное судно которого пристало к берегу изолированного острова, где живёт генетик и его прекрасная дочь Анна. Отец Анны вывел новый вид «леденящих кровь и ужасно ядовитых» гигантских землероек, которые должны съедать «каждый день еды, втрое превышающей их вес», или умереть с голоду. А затем внезапно ураган отрезает их от цивилизации, и голодные землеройки открывают для себя тёплый вкус человеческой плоти…

Правда, сценарий до этого не доходит, но мы знаем, о чём бедная Анна и Лорн думают, когда землеройки прогрызают себе ход в глинобитной стене лаборатории, вынюхивая человечину: «Очень опасно играться с масштабными настройками клеточной биологии», или, как предпочитает говорить Лорн, «Стреляй! Немедленно!»

Автор: Вячеслав Голованов

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля