Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Поверхности влияют на многие аспекты формы животных. Лоси, живущие в холодных регионах, крупнее. Хоть белые медведи и близкие родственники бурых, они массивнее своих южных собратьев. То, что представители одного и того же вида бывают крупнее в более холодных широтах, замечали векaми. Вероятно, дело в площади поверхности. Если вы теплокровное животное, обитающее в холоде, слишком большая поверхность вашего тела становится обузой: из-за нее вы теряете больше тепла. Поскольку площадь поверхности растет пропорционально квадрату длины, а объем – пропорционально кубу, отношение площади поверхности к объему уменьшается по мере увеличения размера. Допустим, животное вырабатывает столько же тепла, сколько теряет через кожу. Если его размеры изометрически удвоить, оно будет производить в 8 раз больше тепла благодаря возросшей в 8 раз массе, зато скорость потери тепла увеличится лишь в 4 раза. Следовательно, животное будет либо перегреваться, либо – что более реалистично – требовать (и потреблять) меньше калорий на поддержание температуры тела. Получается, что у крупного животного в холоде будет больше шансов выжить, а значит, увеличение размера дает эволюционное преимущество. При прочих равных большим животным в холоде живется легче.

Животным в жарком климате, напротив, грозит перегрев, и им полезнее большая площадь поверхности, облегчающая отдачу тепла. Отношение площади поверхности к объему при малых размерах больше, поэтому при прочих равных мелким животным в жарких местах живется легче.

Разумеется, можно пойти и по пути отказа от изометрии: так произошло с ушами слона, развившими гигантскую площадь поверхности. Однако внутри вида формы не склонны меняться столь радикально – отсюда и общее правило, сформулированное в XIX веке биологом Карлом Бергманом: размер тела теплокровных животных в холодном климате обычно больше, чем в теплом. Сейчас оно известно как правило Бергмана.

Пока мы рассматривали лишь те примеры, где связанные с поверхностями закономерности влияют на форму животных. Но они же влияют и на поведение, определяя, что животным под силу, а что – нет.

Гуляющие по воде

По водной глади пруда снуют водомерки и другие насекомые. Они делают это с той же легкостью, с какой вы ходите по лужайке. Почему же вы не можете гулять по воде? Секрет водомерки не в строении ее ног, а в размере. Способности насекомого проистекают из масштабирования, а именно – из масштабирования, связанного с такой силой, как поверхностное натяжение.

Эта сила возникает на поверхности любой жидкости. Какой бы ни была жидкость, составляющие ее молекулы притягиваются друг к другу. Это неотъемлемое свойство жидкостей: если бы молекулы взаимно не притягивались, они сформировали бы скорее газ. Каждая молекула воды хочет находиться рядом с ей подобными. Каждая молекула масла хочет находиться с другими такими же. У молекул на поверхности жидкости (вроде того же пруда) примерно вдвое меньше соседей, чем у пребывающих в ее толще. Если уподобить молекулы людям, можно сказать, что обитатели поверхности несчастливы, и жидкость как целое стремится минимизировать площадь своей поверхности, чтобы несчастных молекул было как можно меньше. Более того, жидкость противится любым процессам, увеличивающим площадь ее поверхности, и поэтому возникает то самое поверхностное натяжение. Мыльные пузыри, жидкости в космосе и капли в водно-масляной смеси принимают сферическую форму именно под действием этой силы, поскольку сфера – это трехмерное тело с минимальной площадью поверхности при заданном объеме. Если же рассматривать воду в ведре или в пруду, то на нее действует гравитация и дополнительные ограничения в виде стенок резервуара, которые вместе с плоским пятном контакта вода – воздух минимизируют площадь поверхности. Любую жидкую поверхность можно считать постоянно натянутой, стремящейся максимально сократить свою площадь с учетом ограничений, накладываемых объемом жидкости и другими факторами.

Теперь мы можем понять, почему водомерка гуляет по воде. Ее ноги под действием гравитации давят на поверхность воды. Лапки водомерки гидрофобны: молекулы воды не имеют к ним сродства и предпочитают держаться друг друга, изо всех сил стараясь минимизировать общую площадь поверхности. Тонкие ноги деформируют поверхность, и вода отвечает на это силой поверхностного натяжения, пытаясь снова выровнять место контакта. Если представить процесс в целом, то касающаяся пруда нога водомерки движется вниз под действием силы притяжения, деформация водной поверхности неуклонно растет, но направленная вверх сила поверхностного натяжения делает то же самое.