Ник Пайенсон - Наблюдая за китами [Прошлое, настоящее и будущее загадочных гигантов]

Чтобы понять, как живут гиганты — киты, огромные млекопитающие, динозавры, — стоит классифицировать последствия, к которым приводит гигантизм (то есть его достоинства и недостатки) как внутри, так и снаружи организма [232] John T. Bonner, Why Size Matters: From Bacteria to Blue Whales (Princeton University Press, 2011); Knut Schmidt- Nielsen, Scaling: Why Is Animal Size so Important? (Cambridge University Press, 1984). . Очевидное ограничение в жизни сухопутных исполинов связано с гравитацией, она ограничивает рост костей, кровообращение, дыхание и любые аспекты размножения. Внешний фактор — это пища. Через 100 млн лет динозавры-завроподы, похоже, уперлись в окончательный предел роста — около 33 м в длину. Трудно представить, как могли бы деревья удовлетворить потребности в пище даже одного стада гигантских растительноядных ящеров, не говоря уже о других видах, живущих рядом.

Очевидное достоинство большого размера — обретаемая безопасность: когда киты становятся достаточно большими, любым хищникам, будь то косатки или суперакулы далекого прошлого, становится слишком опасно, а то и вовсе бессмысленно нападать на китов. Еще одно преимущество — физиологическая эффективность. Например, с ростом размера тела передвижение вообще и миграции на дальние расстояния становятся более эффективными, то есть большие расстояния преодолеваются с пропорционально меньшими затратами энергии. Если рассматривать организм в целом, то обнаруживается множество других экологических последствий увеличения размеров тела: к примеру, крупнейшие киты настолько большие и толстые за счет запасов подкожного жира, что для них более важной задачей становится уже не удержание тепла, а отвод его через кожу. Для китов, кормящихся и плавающих в полярных водах или ныряющих на двухкилометровую глубину, жир, запасающий энергию и удерживающий тепло, — это спасение; но в более теплых широтах или на мелководье он, скорее, становится обузой. Большинство китов не задерживаются надолго в одном месте: крупные мигрируют на огромные расстояния для нагула, а это подразумевает определенную стратегию, чтобы успеть запасти в жировых отложениях максимум энергии и при этом не перегреться [233] Peter J. Corkeron and Richard C. Connor, «Why Do Baleen Whales Migrate?» Marine Mammal Science 15 (1999): 1228–45. . Основы теплопроводности очень важны, если вы живете в воде: она отводит тепло в 90 раз быстрее, чем воздух. Знание физики позволяет рассчитать нижнюю границу размера кита, при котором он может сохранить достаточно тепла для жизни — около 7 кг. Даже у самых мелких видов вес новорожденного китенка не опускается ниже этого предела [234] Jerry F. Downhower and Lawrence S. Blumer, «Calculating Just How Small a Whale Can Be», Nature 335 (1988): 675. .

Оказывается, многие биологические показатели животного — как быстро бьется его сердце, сколько потомства оно производит, как долго живет — можно предсказать по его размеру, будь то современное животное или вымершее, огромное или маленькое. Мелкие млекопитающие, как правило, отличаются высоким метаболизмом, рождают много детенышей и живут недолго; крупные, в том числе киты, обычно сжигают калории медленнее, размножаются реже, а живут дольше [235] Geoffrey B. West and James H. Brown, «Life's Universal Scaling Laws», Physics Today 57, no. 9 (2004): 36–43. . Математические закономерности, которые описывают подобные изменения организмов, называются аллометрией. Многие прогностические особенности аллометрических уравнений, как правило, связаны с общими физическими принципами, такими как законы рассеивания тепла или отношение площади поверхности объекта к его объему [236] West and Brown. «Life's Universal Scaling Laws». .

Рассмотрим фундаментальное ограничение отношения площади поверхности к объему: независимо от формы объекта площадь его поверхности всегда увеличивается медленнее, чем объем. Одно из первых биологических последствий такого соотношения для любого организма крупнее амебы состоит в том, что одной диффузии газа становится недостаточно, чтобы доставлять кислород во все участки тела, поэтому для выживания нужен некий механизм — например, легкие. У китов легкие, безусловно, имеются, то есть вторую задачу они решили так же, как и любое другое млекопитающее, но их легкие настолько большие и специализированные, что они создают свои затруднения. Судя по исследованиям мелких видов китов, их легкие имеют структурные изменения, которые позволяют им не только довольно быстро сжиматься, чтобы избежать проблем с плавучестью и разрывом тканей при нырянии на глубину больше полутора километров, но и быстро раздуваться при всплытии [237] Marina A. Piscitelli et al., «A Review of Cetacean Lung Morphology and Mechanics», Journal of Morphology 274 (2013): 1425–40. .

Наряду с дыханием, есть еще одна жизненно важная задача: киту необходимо запасти в легких столько кислорода, чтобы он мог находиться под водой до двух часов. Для решения этой задачи киты демонстрируют массу различных анатомических и физиологических эволюционных приспособлений, например высокое соотношение количества крови к объему тела, высокое количество клеток крови и повышенная концентрация гемоглобина в клетках, попросту — кровяные клетки китов могут запасать больше кислорода [238] Shawn R. Noren and Terrie M. Williams, «Body Size and Skeletal Muscle Myoglobin of Cetaceans: Adaptations for Maximizing Dive Duration», Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology 126 (2000): 181–91. . (Еще один пример конвергентной эволюции: эти признаки независимо появились у таких отдаленно связанных ветвей генеалогического древа млекопитающих, как киты и тюлени [239] Scott Mirceta et al., «Evolution of Mammalian Diving Capacity Traced by Myoglobin Net Surface Charge», Science 340 (2013): 1234192. .)

На суше есть еще одно фундаментальное ограничение — гравитация. По мере наращивания масштабов физика устанавливает пределы возможного для любого вида движения и функции, будь то кровоток, пищеварение или передвижение. Например, динозавры-завроподы обладали ногами-колоннами, которые поддерживали их массивный вес. Впрочем, по-видимому, для облегчения нагрузки они обзавелись птицеобразной дыхательной системой, и их скелет был пронизан воздушными мешками, как у современных птиц [240] Mathew J. Wedel, «A Monument of Inefficiency: The Presumed Course of the Recurrent Laryngeal Nerve in Sauropod Dinosaurs», Acta Palaeontologica Polonica 57, no. 2 (2011): 251–56. . Очевидно, что китам гравитация не мешает, так как они живут полностью в воде, что делает их практически невесомыми. Зато на форму их тела повлияли другие силы, например сопротивление среды.

Применение аллометрии для изучения китов, особенно усатых, в том числе самых крупных из когда-либо существовавших, помогает лучше понять не только то, что нужно для достижения гигантских размеров, но и вообще пределы возможного для живых существ.

Когда Жан Потвин применил аллометрию для расчета сопротивления на математических моделях полосатиков различного размера, он обнаружил, что при длине тела более 33 м синий кит будет недостаточно быстро закрывать пасть, заглатывая добычу, и не сможет компенсировать огромные затраты энергии на торможение и совершение рывка. Другими словами, задокументированная длина крупнейших китов в 33,22 м, по-видимому, соответствует теоретическому максимуму для синего кита [241] Jean Potvin, Jeremy A. Goldbogen, and Robert E. Shadwick, «Metabolic Expenditures of Lunge Feeding Rorquals Across Scale: Implications for the Evolution of Filter Feeding and the Limits to Maximum Body Size», PLoS ONE 7, no. 9 (2012): e44854. .