Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Обмен кислорода и углекислого газа у всех живых существ происходит на какой-то поверхности, причем скорость обмена ограничена располагаемой площадью поверхности. В этом нет ничего сложного: молекулы газа при переходе из одной среды в другую – например, из воздуха внутрь кровеносного сосуда – вынуждены преодолевать границу между средами, поэтому поток молекул пропорционален площади поверхности этой границы. Общая потребность в кислороде определяется объемом существа (не учитывая нюансов, о которых мы поговорим в следующей главе), поскольку каждая его клетка расходует кислород на химический процесс дыхания. У маленького животного вроде муравья площади поверхности внутренних трубочек хватает для газообмена с тканями, а площади поверхности тела достаточно для поглощения необходимого объема кислорода.

Теперь представьте, что мы волшебным образом изометрически увеличили муравья. Если увеличить все муравьиные длины вдвое, чтобы его общая длина составила не 3, а 6 миллиметров, его объем, как мы знаем, возрастет в 8 раз. Количество клеток тоже увеличится в 8 раз, а значит, во столько же раз возрастет и необходимый муравью объем кислорода. Площадь поверхности насекомого, однако, увеличится лишь в 4 раза. Если увеличивать муравья и дальше, расхождение будет еще больше. Муравью размером с человека, то есть в 1000 раз превосходящего по длине обычного, потребуется в 1000³ = 1 миллиард (10⁹) раз больше кислорода, но площадь поверхности, необходимой для поглощения воздуха, станет лишь в 1000² = 1 миллион (10⁶) раз больше. При человеческих размерах невозможен обмен достаточного объема кислорода и углекислого газа на поверхности просто сомасштабно увеличенных трубочек и невозможно поглощение нужного объема воздуха через пассивную внешнюю поверхность. То, что не вызывало затруднений при малых размерах, становится невыполнимым при больших – просто в силу геометрии.

Все крупные растения и животные, включая вас, решают эту проблему отказом от изометрии. Вместо того чтобы сохранять подобие очертаний, крупные организмы принимают формы с гораздо большей площадью поверхности для транспортировки газов, чтобы удовлетворять потребности в кислороде, растущие по мере увеличения объема и клеточной массы.

Маленькие фотосинтезирующие бактерии имеют гладкую округлую форму. Деревья, напротив, сильно ветвятся и обрастают множеством листьев, на поверхности которых происходит газообмен. Вы тоже ветвитесь, но только внутри: воздухоносные пути в ваших легких выглядят как каскад из все более тонких веточек, суммарно образующих огромную площадь поверхности. Часто говорят, что объем ваших легких сопоставим с несколькими теннисными мячиками, а площадь – с целым теннисным кортом.

Работа ваших органов тоже опирается на масштабирование. Ваши легкие раздуваются и сдуваются, продвигая газы внутрь организма и наружу. Муравью же хватает отверстий на поверхности тела. Хотя муравьи и другие крупные насекомые могут расширять и сжимать части своих тел, чтобы активно прокачивать воздух, основным режимом транспортировки газов – и единственным у мелких насекомых – остается пассивная диффузия. Более крупным животным ее недостаточно: как мы узнали из главы 6, на большие расстояния молекулы диффундируют очень медленно, поэтому вы задохнетесь, если перестанете прокачивать воздух.

Ваше сердце энергично проталкивает насыщенную кислородом кровь по другой разветвленной сети, пронизывающей ваше тело. Муравью это ни к чему: его малые размеры облегчают внутренний газообмен. Небольшое существо может эксплуатировать предсказуемую случайность броуновского движения: заходя через дыхальца, воздух свободно блуждает по ходам внутри организма. Вспомним снова главу 6: при случайном блуждании частица – например, молекула кислорода – в среднем преодолевает расстояние, соответствующее квадратному корню из времени ее движения. Если перевернуть это уравнение и обратиться к языку масштабирования, получится, что время движения увеличивается пропорционально квадрату длины. Если существо в 1000 раз больше муравья, на диффузию в нем уйдет в 1000² = 1 миллион раз больше времени. Вместо того чтобы терпеливо ждать насыщения тканей в миллион раз дольше, крупные животные вроде нас переносят кислород в крови, прокачивая ее по кровеносной системе и подводя достаточно близко к каждой клетке, чтобы дело быстренько завершила диффузия.

Впрочем, крупным существам можно насыщаться кислородом и не прибегая к развитию органов дыхания с обширной поверхностью: для этого им нужно жить в очень богатой кислородом среде. Сейчас нет таких мест, но когда-то подобные условия были в порядке вещей. Например, в каменноугольном периоде, около 300 миллионов лет назад, концентрация кислорода в воздухе на 50 % превышала нынешнюю, и палеонтологические находки свидетельствуют о широком распространении гигантских насекомых в ту эпоху². Доисторической стрекозе с размахом крыльев в 60 сантиметров было бы непросто выживать в нашем относительно бедном кислородом воздухе.