Роланд Глазер - Биология в новом свете

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 l 3. 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 l 2. Тогда соотношение между теплоотдачей и образованием тепла в теле выглядит так:

(теплоотдача ∼ l 2) / (образование тепла ∼ l 3) = 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 l 3 . Теплоотдача пропорциональна поверхности тела землеройки, т. е. l 2 . Отношение обеих величин l 2 /l 3 = 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.