Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Поверхности и особенности их масштабирования определяют многие аспекты живой природы и служат отличным примером для объяснения, как масштабирование связывает микроскопическое (вроде структуры липидных молекул) с макроскопическим (например, с механикой расширения ваших легких). Масштабирование в очередной раз помогает нам разобраться в феноменах, которые мы наблюдаем внутри себя и прочих организмов. Масштабирование, однако, не панацея, и теперь мы рассмотрим пример, который до конца понять еще не можем.

Глава 12. Загадки размера и формы

В предыдущих главах мы рассматривали примеры зависимостей, описывающих масштабирование, – связи между свойствами вроде прочности костей и габаритами тела. Эти зависимости часто выходят за рамки простой пропорциональности: на удивление распространены взаимосвязи, когда одна величина пропорциональна другой, возведенной в какую-то степень, – это называется степенным законом (порой зависимости даже переходят в разряд экспоненциальных). Масштабирование проливает свет на многие особенности живой природы, и тому есть масса примеров – на суше, в воздухе и в море. Измеряя скорость плавания и частоту гребков у множества водных организмов, мы обнаруживаем между этими показателями экспоненциальную зависимость, объяснимую гидродинамикой. У способных к бегу животных, от тараканов до лошадей, степенным законом связаны энергия, затрачиваемая на движение, и масса тела, а задается эта зависимость более глубинными физическими механизмами, чем особенности походки. Скорость полета, мощность и масса подчиняются законам аэродинамического масштабирования, применимым не только к летающим животным, но и к реактивным самолетам. Мы могли бы изучать все это и дальше, но лучше примем свои успехи как должное и рассмотрим кое-что не столь понятное (если вас заинтересовали перечисленные здесь примеры, в примечании я указал, где о них почитать¹). Мы обратимся к загадке масштабирования, разгадка которой, вероятно, поможет нам понять, чем определяются темп сердцебиения, биоразнообразие лесов и даже пределы продолжительности жизни.

Энергия и размер

Наша загадка стара и неоднозначна, но описать ее на удивление легко. Каждый организм извлекает энергию из химических связей. Эти связи заложены в пище, потребляемой животными, в питательных молекулах, поглощаемых бактериями, а также в сахарах, производимых фотосинтетиками с помощью солнечного света. Высвобождаемая энергия направляется на все задачи, связанные с жизнью: рост, развитие, движение, размножение и так далее. Скорость расхода энергии называется интенсивностью метаболизма, а метаболизм, или обмен веществ, – это совокупность химических реакций, осуществляемых клетками в процессе жизнедеятельности. Интенсивность обмена не постоянна – во время бега энергия тратится гораздо быстрее, чем во сне, – и никогда не падает до нуля. Даже в покое каждый организм расходует химическую энергию в рамках основного обмена[47]. Интенсивность основного обмена меняется от организма к организму. Отдыхающий слон, например, потребляет в минуту больше калорий, чем отдыхающая мышь. Но больше насколько? Или, если сформулировать общий вопрос, как масштабируется интенсивность основного обмена в зависимости от массы животного?

Можно предположить, что вывести общую закономерность для всего многообразия жизненных форм не удастся, поскольку скорость метаболизма у каждого организма задается его уникальной анатомией. Или можно предположить, что интенсивность основного обмена пропорциональна массе тела: если животное вдвое крупнее, то и его ежеминутный расход энергии вдвое больше.

Однако ни одна из этих гипотез не верна. Зависимость между интенсивностью основного обмена и массой тела действительно есть, но она не так проста. Рассматривая форму костей в главе 10, мы наблюдали у крупных животных тенденцию к формированию непропорционально толстых костей. Измеряя интенсивность основного обмена, мы замечаем у крупных животных тенденцию к расходованию непропорционально малого количества энергии. Величина основного обмена часто выражается в скорости потребления кислорода, поскольку он необходим для метаболических реакций. В покое мышь использует примерно 40 миллилитров кислорода в час. Слон, превосходящий ее по массе в 100 тысяч раз, использует кислорода больше не в 100, а в 10 тысяч раз (и даже меньше этого). В покое грамм слона в среднем расходует энергию в 20 раз медленнее, чем грамм мыши. Яркое сравнение предложил биохимик и писатель Ник Лэйн: «Куча мышей, соответствующая по размеру слону, каждую минуту потребляла бы в 20 раз больше пищи и кислорода, чем настоящий слон»². Слоны и мыши в этом не уникальны. Как правило, чем больше организм, тем ниже интенсивность его обмена в пересчете на грамм массы тела.