|
|
|||
|
БІОСИСТЕМИ. БІОСФЕРА
ЕКОСИСТЕМИ. ПОПУЛЯЦІЇ
ОРГАНІЗМИ У ДОВКІЛЛІ
ЛЮДСТВО ТА ЙОГО ДОЛЯ
|
|||
|
V-11. Особливості організмів, що пов'язані з їх розмірами |
|||
V-11. Особливості організмів, що пов'язані з їх розмірами
Чи замислювалися ви над тим, чому травинка може мати тонку гнучку стеблинку, а високі дерева мають товсті міцні стовбури? Чому не може бути високого дерева із пропорціями травинки (рис. 5.11.1)? Чому крупним тваринам важче носити свою вагу, ніж дрібним, і чому частка кістяка в об'ємі та вазі їхнього тіла є набагато більшою?
Рис. 5.11.1. Яка з цих рослин є вищою? Завдяки чому вам це зрозуміло, адже розміри їх зображень однакові?
Розглянемо спрощений приклад (рис. 5.11.2). Лінійні розміри організму (довжина тіла і, пропорційно, всі інші виміри) збільшується вдвічі. Площа поверхні цього організму збільшиться не вдвічі, а вчетверо (2×2). Об'єм такого організму збільшиться ще більше — у вісім разів (2×2×2)! Причина нерівномірного зростання лінійних розмірів, площі та об'єму дуже проста і витікає з елементарних геометричних закономірностей. Зі зростанням лінійного розміру тіла його площа і площа будь-яких його перерізів зростає пропорційно до розміру в ступені 2, а об'єм — пропорційно до розміру в ступені 3. Площа пропорційна квадрату лінійних розмірів, а об'єм — кубу!
Рис. 5.11.2. Збільшення розміру куба вдвічі призводить до того, що відношення його поверхні до об'єму стає вдвічі меншим
Міцність опорних структур (стебла рослини, скелета тварини) приблизно пропорційна їх площі поперечного перерізу. Однак вага тіла, яку доводиться утримувати таким структурам, зростає швидше: вона пропорційна об'єму тіла. Отже, якщо при збільшенні його розмірів вдвічі пропорції тіла не зміняться, його можливості підтримувати власну вагу зменшаться вдвічі — тіло наче стане вдвічі важчим для самого себе! Отже, у міру зростання організм стає все важчим і важчим для себе самого.
Згадайте, як ходить маленька дитина: вона досить часто спотикається та падає. Падіння з висоти власного зростання може викликати сльози, але майже ніколи не призводить до серйозних травм. На жаль, для дорослої людини, яка має набагато міцніший скелет, падіння з висоти власного зросту може бути набагато небезпечнішим (спричиняючи, наприклад, переломи).
Подібні закономірності відображаються не тільки у підтримці власної ваги. Наприклад, маленьким тваринам набагато легше літати, ніж великим. Підйомна сила літаючих тварин пропорційна площі їхніх крил або інших структур, що підтримують їх у повітрі, тобто зростає пропорційно квадрату їх лінійних розмірів. Сила м'язів також зростає пропорційно квадрату лінійних розмірів: вона пропорційна площі поперечного перерізу м'язів. А ось вага зі збільшенням розмірів організму зростає значно швидше: пропорційно кубу розмірів, адже він визначається об'ємі тіла. Невеликий попелиці, щоб злетіти, достатньо мати маленькі крильця зі слабкою мускулатурою. На відміну від попелиці, альбатросу, щоб злетіти, потрібно мати тіло, вся конструкція якого підпорядкована завданню полегшення ваги та збільшення підйомної сили. Альбатрос із розмахом крил у 3,5 метрів важить лише близько 15 кг (рис. 5.11.3)!
Рис. 5.11.3. І попелиця, і альбатрос здатні до польоту. Чому ж пристосування до польоту набагато сильніше змінили будову альбатросу, а не попелиці?
Зверніть увагу, що обговорені міркування не пов'язані зі специфікою живих організмів. Наприклад, в силу аналогічних міркувань порошинка легко порхає в повітрі, а камінь, який складається з того ж матеріалу, що і порошинка, і має таку ж форму, опинившись у повітрі без опори, стрімко впаде.
Ми переконалися, що зі зростанням організму відбувається зміна його відносин з його власною вагою. Але і новонароджена, і доросла людина належать приблизно до одного розмірного класу: довжина їхнього тіла відрізняється не більше ніж у 4–5 разів. А як відрізняються умови життя організмів, не співставних за своїми розмірами?
Ми можемо дуже умовно розділити земні організми на три групи (розмірні класи) залежно від їх розмірів. До мікросвіту належать організми, розмір яких зазвичай менший за міліметр. Мезосвіт — область розмірів від міліметрів до десятків сантиметрів. Макросвіт — сукупність тварин, розмір яких перевищує кілька десятків сантиметрів (досягаючи іноді десятків метрів). До кожного розмірного класу належать організми, розмір яких може відрізнятися в сотні разів (слід врахувати, що в іншому контексті, наприклад, у фізичній літературі, поняття мікро-, мезо- та макросвіт можуть використовуватись і в іншому значенні). Відмінності в розмірах організмів різних розмірних класів призводять до того, що фактори середовища діють на них по-різному!
В мікросвіті сила земного тяжіння практично не відчувається. Організми цього розмірного класу легко плинуть у воді і можуть навіть утримуватися в потоках повітря, як пил. Зате поверхневі сили (сила поверхневого натягу, капілярний ефект) для організмів мікросвіту практично непереборні. Деякі істоти мікросвіту дуже складно влаштовані (наприклад, інфузорії), але для них не характерна наявність спеціальних фізіологічних систем, що підсилюють газообмін. Такі дрібні організми мають дуже високе відношення площі поверхні тіла до його об'єму. Відстань від будь-якої точки їх тіла до поверхні дуже невелика, і концентрації газів чи інших речовин швидко вирівнюються. Так само швидко вирівнюється різниця температур. Температура тіла організмів мікросвіту завжди така ж, як у навколишнього середовища.
Організми мезосвіту «відчувають» і силу тяжіння, і поверхневі сили, але водночас здатні успішно долати їх. Згадайте водомірок, що бігають по поверхні води, або ставковиків, що повзають по плівці поверхневого натягу. Багато з організмів мезосвіту, наприклад мурахи, легко піднімають масу, що багато разів перевершує масу їх тіла. При цьому представники цього розмірного класу мають розвинену дихальну та циркуляторну системи. До речі, те, що у комах функції газообміну та циркуляції розділені, є наслідком того, що ці тварини виникли саме в середньому розмірному класі. Газообмін забезпечується у них завдяки системі трахей, що підводять повітря майже до кожної клітини, а циркуляцію речовин в організмі забезпечує гемолімфа. При збільшенні розмірів тіла його об'єм зростає швидше, ніж площа поверхні (у тому числі площа поверхні трахей), утруднюється переміщення повітря всередині витягнутої в тонку трубку трахеї, і організм починає відчувати труднощі з газообміном. Це одна з головних причин того, чому комахи не вийшли з мезосвіту до макросвіту. Зате досить багато тварин мезосвіту здатні до польоту. Рослини та гриби мезосвіту мають певні опорні структури (які найчастіше «працюють» завдяки тургору), але зазвичай зберігають певну еластичність своїх тіл.
Зрештою, у макросвіті основна сила, яку доводиться долати, — сила земного тяжіння. Наші м'язи майже не відчувають сили опору поверхневої плівки води, проте повинні постійно напружуватися, підтримуючи нашу вагу. До польоту здатні лише деякі представники макросвіту, причому найменші. За невеликим винятком, тварини макросвіту мають внутрішній скелет; переважна більшість із них — хребетні. Крім них, макророзмірів (у водному середовищі) досягли головоногі молюски, насамперед — кальмари. Цікаво, що залишок внутрішньої раковини кальмарів формує в їхньому тілі внутрішню опору, що трохи нагадує за своїми властивостями хорду.
У рослин макросвіту (наприклад, дерев) значна частина тіла зайнята твердими механічними тканинами. Гриби, якщо й досягають макророзмірів, фактично залишаються в мезомирі, оскільки розташовуються всередині якогось субстрату або його поверхні.
Звичайно, організми мікро-, мезо- і макросвіту пов'язані один з одним переходами, проте важко навіть уявити собі, наскільки для них відрізняються властивості навколишнього середовища! Ви, напевно, стикалися з міркуваннями, коли особливості організмів одного розміру поширюються на інших, які суттєво відрізняються за своєю величиною. Людина не може стрибати на таку ж висоту (щодо свого тіла) як блоха, як мурашка нести вантаж, що перевищує власну вагу в стільки ж разів, або рухатися з такою ж відносною швидкістю, як муха. Не тому, що вона «зроблена» гірше. Людина просто належить до іншого розмірного класу!
Оскільки в міру зростання організму змінюються співвідношення між його різними параметрами: площею поверхні та об'ємом, силою м'язів, міцністю скелета та вагою тощо, у переважної більшості організмів зростання пов'язане зі зміною пропорцій.
Тому ми легко відрізнимо фотографію дитини від фотографії дорослої, навіть якщо нам не будуть зрозумілі розміри зображеної на ній людини. Дитина та дорослий різняться за пропорціями. У дитини набагато більша і кругліша голова, коротші руки та ноги. У міру зростання відбувається безперервна зміна пропорцій, і це властиво не тільки людині, а й усім сучасним тваринам та рослинам.
Зміну пропорцій зі зростанням організму Джуліан Хакслі назвав аллометричним зростанням (аллометриєю). Одне з найпростіших рівнянь, які цілком непогано описують таке зростання, називається рівнянням Хакслі: y = bxa, де y — розмір якогось органу, x — розмір організму в цілому, b і a — константи аллометричного росту.
Наприклад, якщо якийсь орган збільшується рівно настільки, щоб його площа поверхні (або площа поперечного перерізу) зростала пропорційно до об'єму організму в цілому, константа аллометрії a дорівнюватиме 1,5.
Якби зростання організму відбувалося зі збереженням пропорцій (тобто було б ізометричним), відповідне рівняння мало б вигляд просто y=bx. Наприклад, імовірно, що багато організмів, які населяли Землю у вендський (едіакарський) період, росли ізометрично, без зміни пропорцій. Це одна з вагомих підстав не вважати вендобіонтів справжніми тваринами.
Алометричне зростання можна зареєструвати, порівнюючи організми різного розміру. Відповідно до того, які особини порівнюються один з одним, можна виділити такі форми аллометрії:
— онтогенетична аллометрія, що простежується в ході онтогенезу особини або встановлюється при порівнянні різновікових особин одного виду;
— внутрішньовидова аллометрія, що виявляється при порівнянні особин на одній стадії розвитку (зазвичай дорослих), які відрізняються один від одного за розміром;
— міжвидова аллометрія, що виявляється при порівнянні середніх значень досліджуваної ознаки, характерних для особин (як правило, дорослих) різних видів, що належать до однієї групи;
— еволюційна аллометрія — міжвидова аллометрія у ряді філогенетично наступних форм.