Екологія: біологія взаємодії. 5.11. Особливості організмів, пов’язані з їх розмірами

5.10. Концепція стресу за Сельє

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 5. Аутекологія та основи середоведення

5.12. Склад сонячної радіації

5.11. Особливості організмів, пов’язані з їх розмірами

Задумувалися ви колись, чому травинка може мати тонкий гнучкий стеблинок, а високі дерева — товсті міцні стовпи? Чому не може бути високого дерева з пропорціями травинки? Чому крупним тваринам важче нести власну вагу, ніж дрібним, і чому частка скелета в обсязі та вазі їх тіла є набагато більшою?

Розглянемо спрощений приклад (рис. 5.11.1). Лінійні розміри організму (довжина тіла та, пропорційно, всі його інші виміри) збільшуються удвічі. Площа поверхні цього організму зросте не удвічі, а вчетверте (2 × 2). Об’єм такого організму зросте ще більше — у вісім разів (2 × 2 × 2)! Причина нерівномірного зростання лінійних розмірів, площі та обсягу дуже проста і корениться в елементарних геометричних закономірностях. Зі збільшенням лінійного розміру тіла його площа та площа будь-яких його перерізів зростають пропорційно розміру в другому степені, а об’єм — пропорційно розміру в третьому степені. Площа пропорційна квадрату лінійних розмірів, а об’єм — кубу!

Рис. 5.11.1. Подвоєння розмірів куба призводить до того, що відношення його поверхні до обсягу стає удвічі меншим

Прочність опорних структур (стеблина рослини, скелета тварини) приблизно пропорційна їхній площі поперечного перерізу. Проте вага тіла, яку таким структурам доводиться утримувати, зростає швидше: вона пропорційна обсягу тіла. Отже, якщо пропорції тіла при подвоєнні його розмірів не зміняться, його здатність підтримувати власну вагу зменшиться удвічі — він начебто стане удвічі важчим для самого себе! Таким чином, із зростанням організм стає для себе самого все важчим і важчим.

Пригадайте, як ходить малолітня дитина: він досить часто спотикається і падає. Падіння з висоти власного зросту може спричинити 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 значно небезпечнішим (загрожуючи, зокрема, переломами).

Подібні до згаданих закономірності відображаються не лише в утриманні власної ваги. Наприклад, дрібним тваринам значно легше літати, ніж крупним. Підйомна сила літаючих тварин пропорційна площі їхніх крил або інших структур, що підтримують їх у повітрі, тобто зростає пропорційно квадрату їхніх лінійних розмірів. Сила м’язів також зростає пропорційно квадрату лінійних розмірів: вона пропорційна площі поперечного перерізу м’язів. Проте вага зростанням розмірів організму збільшується значно швидше: пропорційно кубу розмірів, адже вона визначається обсягом тіла. Маленькій тлі, щоб злетіти, достатньо мати маленькі крильця зі слабкою мускулатурою. Навпаки, альбатросу, щоб злетіти, потрібне тіло, усі конструктивні рішення якого підпорядковані завданню полегшити власну вагу та збільшити підйомну силу. Альбатрос із розмахом крил 3,5 м важить лише близько 15 кг!

Зауважте, що обговорені міркування не пов’язані зі специфікою живих організмів. Наприклад, з аналогічних міркувань випливає, що пилинка легко ширяє в повітрі, тоді як кулька, що складається з тієї самої матеріальної речовини й має таку саму форму, опинившись у повітрі без опори, миттєво полетить униз.

Ми переконалися, що із зростанням організму змінюються його взаємини з власною вагою. Проте і новонароджений, і дорослий людини належать приблизно до одного розмірного класу: довжина їхніх тіл відрізняється не більш ніж у 4–5 разів. А як відрізняються умови існування організмів, що є несумісними за своїми розмірами?

Ми можемо дуже умовно поділити земні організми на три групи (розмірні класи) залежно від їхніх розмірів. До мікросвіту належать організми, розмір яких зазвичай становить менше 1 мм. 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 враховувати, що в інших контекстах, наприклад у фізичній літературі, терміни «мікро-», «мезо-» та «макро-» можуть вживатися в іншому значенні). Різниця в розмірах організмів різних розмірних класів призводить до того, що чинники навколишнього середовища діють на них принципово по-різному!

У мікросвіті сила земного тяжіння майже не відчувається. Організми цього розмірного класу легко парять у воді та можуть навіть утримуватися у потоках повітря, як пил. Проте поверхневі сили (сила поверхневої натяжності, капілярний ефект) для організмів мікросвіту практично непереборні. Деякі з істот мікросвіту мають досить складну будову (наприклад, інфузорії), але для них не характерне наявність спеціальних фізіологічних систем, що посилюють газообмін. Такі дрібні організми мають дуже високе відношення площі поверхні тіла до його обсягу. Відстань від будь-якої точки їх тіла до поверхні є дуже малою, і концентрації газів чи інших речовин швидко вирівнюються. Так само швидко вирівнюється й різниця температур. Температура тіла організмів мікросвіту завжди збігається з температурою навколишнього середовища.

Організми мезосвіту «відчувають» і силу тяжіння, і поверхневі сили, проте в той самий час здатні успішно їх долати. Пригадайте біжущих по поверхні води водомірок або повзлих по плівці поверхневої натяжності прудовиків. Багато з організмів мезосвіту, наприклад мурахи, легко підіймають масу, у багато разів перевищуючу масу їх тіла. Разом із тим 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 підводить повітря майже до кожної клітини, а циркуляцію речовин у організмі забезпечує гемолімфа. Зі збільшенням розмірів тіла його об’єм зростає швидше, ніж площа поверхні (зокрема площа поверхні трахей), у звужену тонку трубку трахей ускладнюється переміщення повітря, і організм починає відчувати труднощі з газообміном. Це одна з головних причин, чому комахи не вийшли з мезосвіту до макросвіту. Проте досить багато тварин мезосвіту здатні до польоту. Рослини та гриби мезосвіту мають певні опорні структури (найчастіше «працюючі» завдяки тургору), але зазвичай зберігають певну еластичність своїх тіл.

Нарешті, у макросвіті головною силою, яку доводиться долати, є сила земного тяжіння. Наші м’язи майже не відчувають опору поверхневої водної плівки, проте мають постійно напружуватися, підтримуючи нашу вагу. До польоту здатні лише небагато представників макросвіту, причому найменших. За невеликими винятками, тварини макросвіту мають внутрішній скелет; переважна більшість із них — хребетні. Окрім них, макророзміри (у водному середовищі) досягли й головоногі молюски, передусім — кальмари. Цікаво, що залишок внутрішньої раковини кальмарів утворює у їхньому тілі внутрішню опору, дещо нагадуючу за своїми властивостями хорду.

У рослин макросвіту (наприклад, дерев) значну частину тіла займають жорсткі механічні тканини. Гриби, якщо й досягають макророзмірів, фактично залишаються в мезосвіті, оскільки розташовані у певному субстраті або на його поверхні.

Звісно, організми мікро-, мезо- та макросвіту пов’язані один з одним переходами, однак важко навіть уявити собі, наскільки для них відрізняються властивості навколишнього середовища! Ви, ймовірно, стикалися з твердженнями, коли особливості організмів одного розміру переносяться на інших, суттєво від них відмінних за величиною. Людина не може стрибати на таку висоту (відносно власного тіла), як блоха, нести вантаж, що перевищує її вагу у стільки ж разів, як мураха, або рухатися з такою ж відносною швидкістю, як муха, не тому, що вона «зроблена» гірше. Людина просто належить до іншого розмірного класу!

Оскільки зі зростанням організму змінюються співвідношення між його різними параметрами: площею поверхні та обсягом, силою м’язів, міцністю скелета та вагою тощо, у переважної більшості організмів зростання пов’язане зі зміною пропорцій.

Тому ми легко відрізняємо фотографію дитини від фотографії дорослої, навіть якщо нам невідомі розміри зображених на ній людей. Дитина й дорослий відрізняються за пропорціями. У дитини значно більша й кругліша голова, коротші руки й ноги. Зі зростанням неперервно змінюються пропорції, і це властиво не лише людині, а й усім сучасним тваринам та рослинам.

Зміна пропорцій по мірі зростання організму Джуліан Гакслі назвав аллометричним зростанням (аллометрією). Одне з найпростіших рівнянь, які досить добре описують таке зростання, називається рівнянням Гакслі: y = bxa, де y — розмір якого-небудь органу, x — розмір організму в цілому, b та a — сталі аллометричного зростання.

Наприклад, якщо якийсь орган збільшується настільки, що його площа поверхні (або площа поперечного перерізу) зростає пропорційно обсягу всього організму, стала аллометрії a дорівнюватиме 1,5.

Якби зростання організму відбувалося із збереженням пропорцій (тобто було ізометричним), відповідне рівняння мав би вигляд просто y = bx. Ймовірно, що багато з організмів, що населяли Землю у віндський (едіакарський) період, зростали ізометрично, без зміни пропорцій. Це одне з вагомих підстав не вважати віндобіонтів справжніми тваринами.

Аллометричний зростання можна зареєструвати, порівнюючи організми різного розміру. Залежно від того, які особи порівнюються між собою, виділяють такі форми аллометрії:
— онтогенетична аллометрія, простежувана в процесі онтогенезу особи або встановлювана порівнянням особин різного віку одного виду;
— внутрішньовидова аллометрія, виявлювана порівнянням особин на одній стадії розвитку (зазвичай дорослих), які відрізняються один від одного за розміром;
— міжвидова аллометрія, виявлювана порівнянням середніх значень досліджуваної ознаки, притаманних особинам (зазвичай дорослим) різних видів, що належать до однієї групи;
— еволюційна аллометрія — міжвидова аллометрія в ряду філогенетично послідовних форм.

Додаткові матеріали:
Навчальна модель: Залежність пропорцій тіла тварини від його розмірів

5.10. Концепція стресу за Сельє

Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Глава 5. Аутекологія та основи середоведення

5.12. Склад сонячної радіації