Биология в новом свете: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Что собственно отличает млекопитающих, а также птиц от других животных? Они достигли высшей ступени эволюции благодаря приобретению, которое обеспечило им преимущества во многих жизненно важных процессах, и таким приобретением явилась постоянная температура тела. Их называют поэтому "теплокровными" (гомойотермными) животными в отличие от "холоднокровных" (пойкилотермных), температура тела которых обычно лишь немного выше температуры окружающей среды и понижается вместе с ней.

Для обеспечения постоянной температуры необходима достаточно сложная система терморегуляции. Какое же преимущество дает она животному?.

Мы знаем, что температура тела теплокровных животных значительно выше температуры окружающей среды. Температура человека (37 °С) лежит примерно в середине интервала температур, присущих теплокровным. При высокой температуре химические процессы ускоряются. Например, сахар растворяется в чае быстрее, если чай горячий. И конечно же, при 37 ° С биологическая система гораздо работоспособнее, чем при 10 или 20 °С. Оправдывает ли само по себе повышение температуры затраты на термостатирование у теплокровных животных? Ответить на этот вопрос достаточно сложно. Возможно, что температура тела выше температуры окружающей среды просто потому, что в этом случае легче осуществить термостатирование тела, т. е. поддержание в нем постоянной температуры. Нагрев всегда осуществить проще, чем охлаждение, а термостат с более высокой по сравнению с окружением температурой охлаждается сам.

Главное заключается даже не в том, что температура организма выше, чем температура окружающей среды, а в том, что она постоянна. Мы знаем, как чувствительны к колебаниям температуры регулирующие устройства и счетные приборы. Электрическое сопротивление изменяется в зависимости от температуры, и некоторые электронные схемы при колебаниях температуры становятся нестабильными и более чувствительными к помехам. Процессы нервной деятельности также подвержены сильному влиянию температуры. Известно, как неприятно действуют колебания температуры на работу мозга. Постоянство температуры нашего тела, имеющего много сложных систем регуляции, и в особенности постоянство температуры человеческого мозга, следует считать важнейшим условием существования высокоорганизованной жизни. Учет этого физиологического параметра вызывает новые вопросы. Как действует тепло? Как оно возникает, преобразуется, передается? Эти вопросы относятся к компетенции огромной и в высшей степени важной области биофизики, на которой в дальнейшем мы остановимся подробнее. Здесь же мы изложим лишь некоторые соображения, которые помогут нам решить вопрос о нижней границе размеров тела млекопитающих или вообще теплокровных животных.

Каждый, кого хоть раз бросало в пот, испытал на себе процесс образования тепла в теле. Любое превращение энергии в теле, будь то мышечная деятельность или пищеварение, дает тепло. Если такого тепла неоткуда "взять", мы производим его при необходимости собственными силами, например начиная дрожать от холода. При этом, как принято говорить, мы "сжигаем" калории.

Так наш "термостат" нагревается. Он должен работать постоянно, потому что тепло непрерывно уходит в более холодную окружающую среду. Если же в теле вдруг возникает излишек тепла, мы потеем, то есть включаем механизм охлаждения.

Однако какое отношение имеет тепловой баланс организма к размерам мыши"? Самое прямое! Здесь мы также можем вывести уравнение баланса подобно тому, как получали различные соотношения, рассматривая примеры из биомеханики. Предположим, что количество тепла, образующегося в единице массы тела, одинаково для всех животных. Один грамм тела мыши производит в единицу времени столько же тепла, сколько производит один грамм тела человека или слона. Вес животного пропорционален его объему, а последний, как мы видели, пропорционален линейному размеру тела в третьей степени, т. е. величине l³. Теперь посмотрим, каким образом тело отдает тепло окружающей среде. У всех теплокровных животных температура тела приблизительно одинакова. И мы можем смело постулировать, что теплоотдача увеличивается пропорционально поверхности тела, т. е. квадрату его размера, или величине l². Тогда соотношение между теплоотдачей и образованием тепла в теле выглядит так:

(теплоотдача ∼ l²) / (образование тепла ∼ l³) = 1/l

О чем говорит полученное отношение? Чем от больше, тем больше теплоотдача, и чем оно меньше, тем больше тепла образуется в теле животного.

В первом случае животное с трудом обогревает себя, во втором — легко потеет. В действительности это соотношение ограничено и сверху и снизу, т. е. оно может изменяться лишь в границах, которые определяются возможностью существования теплокровных животных. Верхняя граница размеров не представляет интереса, потому что с точки зрения теплоотдачи величина l может быть сколь угодно большой и размеры слона определяются не температурой, а только механическими свойствами костей и мышц. Другое дело мышь. В этом случае значение l так мало, что отношение .1/l почти достигает максимума. Соотношение между массой и поверхностью тела у мыши настолько неблагоприятно, что необходимая температура тела поддерживается лишь благодаря интенсивному обмену веществ.

Землеройка, питающаяся насекомыми, — самое маленькое из теплокровных животных. У теплокровных еще меньшего размера соотношение между, теплоотдачей и образованием тепла было бы таково, что они не могли бы существовать.

У водных млекопитающих критическое значение этого соотношения еще выше: даже при наличии изолирующего жирового слоя теплоотдача тела в воде больше, чем в воздухе. Поэтому самые маленькие теплокровные, обитающие в воде, намного крупнее своих сородичей, живущих на суше.

В своих расчетах мы исходили из предположения, что образование тепла в теле пропорционально его массе. Но это лишь очень грубое приближение. Флегматичность слона не сравнима с подвижностью мыши. Природа при помощи различных приспособлений "добилась" понижения критического значения отношения 1/l. Так как образование тепла у млекопитающих в общем связано с энзиматически управляемым процессом сгорания, то его мерой вполне может служить потребление кислорода. Это наглядно представлено на рисунке: чем меньше животное, тем интенсивнее у него протекает обмен веществ. Аналогичным образом регулируется частота дыхания и сердцебиения.

Итак, мы установили, что размеры, внешний облик и поведение животных в значительной мере определяются не только механическими закономерностями, но и такими процессами, как передача тепла.

Количество тепла, вырабатываемое землеройкой, пропорционально ее объему и, следовательно, величине l3. Теплоотдача пропорциональна поверхности тела землеройки, т. е. l2. Отношение обеих величин l2/l3 = 1/l определяет наименьшую длину тела теплокровного животного

Мы коснулись области энергетики, или, как говорят физики, термодинамики. Позже мы увидим, насколько важна эта область для понимания различных биологических процессов. С приведенным примером тесно связан вопрос: как образуется тепло? Действуют ли мышцы подобно тепловой машине, которая превращает тепло в механическую работу? Этот вопрос не связан прямо с темой данной главы, и мы ответим на него позднее. Сейчас же нас интересуют сравнение размеров различных живых организмов и их ограничения как сверху, так и снизу.

Постановку вопроса об обмене энергией следует рассматривать как еще один шаг, приближающий нас к реальному биологическому объекту. Конечно, мы не можем продвинуться в этом направлении далеко: для этого понадобилось бы множество чисто математических расчетов. Мы остановимся лишь на некоторых аспектах проблемы.

Для осуществления обмена веществ в клетках и тканях необходимо, чтобы к ним поступал кислород, а из них удалялась выделяющаяся там углекислота.

Тепловой баланс обеспечивается с помощью сложной системы регуляции. Температура тела как функция его теплоты определяется разницей между производимым теплом и теплоотдачей

У насекомых воздушные трубки, так называемые трахеи, подходят непосредственно к органам, где они разветвляются; таким образом обеспечивается газообмен. Этот принцип оставляет желать лучшего. В таких трубках газообмен протекает вяло и воздух проходит только на малые расстояния — это одна из причин ограничения размеров насекомых сверху. Позвоночные животные обладают жидкостной системой газообмена, а именно системой кровообращения между легкими и тканями. Такая сложная система обеспечивает снабжение кислородом более крупных органов. Частоту сердцебиения у животных различной величины можно объяснить на основе анализа системы кровообращения.

Подобным же образом можно проанализировать форму и размеры растений. Только по их "артериям" транспортируется не растворенный кислород, а вода, которую корни растений забирают из почвы.

Приведем пример также из области нейрофизиологии. Нервный импульс распространяется значительно медленнее, чем передаются знаки азбуки Морзе по телеграфному проводу. Вовремя ли заметит удав, что ему наступили на хвост? Это конечно, шутка, но у крупных животных проблема связи действительно существует.

Совершенно новая глава биофизики открывается вопросом о предельных минимальных размерах биологических объектов. Почему бактерии не стали еще мельче? Почему клетки тканей именно такой величины, а не меньше? И здесь нам на помощь придут законы физики, но уже не "макрофизики", которая имеет дело с видимыми, весомыми, непосредственно измеряемыми телами, а "микрофизики", или статистической физики малых частиц. В дальнейшем мы коснемся этого раздела науки, а пока снова обратимся к макрообъектам.

Мышь вдыхает за минуту воздух, объем которого больше объема ее тела. У кошки объем воздуха, вдыхаемого за то же время, составляет 1/10, у козы — 2/100 и у лошади — 6/1000 объема тела. Так энергетические соотношения, рассчитанные с помощью теории подобия, находят отражение в физиологии

Итак, последний вопрос: насколько интересны и важны обсуждавшиеся здесь проблемы для самой биологии, для объяснения различных принципов организации в природе и ограничивается ли этим их значение? Даже если бы это было действительно так и наши попытки разобраться в подобных проблемах служили бы "только" расширению нашего кругозора, утоляли нашу неистощимую жажду познания, даже тогда они были бы оправданны!

В действительности же за каждой такой проблемой стоят чисто практические интересы. О бионике мы уже говорили. Можно привести и другие примеры. Наша химическая промышленность ежедневно выпускает новые соединения, фармакологическое действие которых нужно тщательно изучить. Эти соединения испытывают на лабораторных животных и на основании результатов опытов делают заключение о действии препаратов на человека. Дозы обычно определяют, исходя из веса тела. Верно ли это? Нет ли более подходящего параметра сравнения? Вспомним также об использовании экспериментальных животных в космических исследованиях. Как, исходя из действия изменившейся гравитации на мышь, собаку или обезьяну, судить о влиянии этого фактора на людей? Не следует забывать и о том, что люди тоже отличаются друг от друга размерами и пропорциями. Как, например, сравнивать физиологические показатели или спортивные достижения детей и взрослых? Как действует ожирение на работу сердца? Перечень подобных вопросов можно продолжить, и это говорит о практической важности поставленных выше проблем, которые для наглядности мы рассмотрели на очень простых примерах.

А теперь подведем итоги. В начале этой главы мы сравнивали технические и биологические объекты. Это вызвало у нас, казалось бы, довольно будничные вопросы. В поисках ответа на них мы привлекали на помощь физику, а также отчасти механику и математику. По мере углубления в эти проблемы мы узнали, что физические законы действуют в живой природе независимо от уровня биологической организации. И даже если нам не всегда удавалось свести биологические закономерности непосредственно к основным физическим законам, противоречия между ними не обнаруживалось. Основная задача этой главы — поставить как можно больше вопросов. Дальше мы будем постепенно переходить от видимого к невидимому, от большого к малому, обращая особое внимание на связь между формой объекта и его назначением, структурой и функцией.