Роланд Глазер - Биология в новом свете

Тепловой баланс обеспечивается с помощью сложной системы регуляции. Температура тела как функция его теплоты определяется разницей между производимым теплом и теплоотдачей

У насекомых воздушные трубки, так называемые трахеи, подходят непосредственно к органам, где они разветвляются; таким образом обеспечивается газообмен. Этот принцип оставляет желать лучшего. В таких трубках газообмен протекает вяло и воздух проходит только на малые расстояния — это одна из причин ограничения размеров насекомых сверху. Позвоночные животные обладают жидкостной системой газообмена, а именно системой кровообращения между легкими и тканями. Такая сложная система обеспечивает снабжение кислородом более крупных органов. Частоту сердцебиения у животных различной величины можно объяснить на основе анализа системы кровообращения.

Подобным же образом можно проанализировать форму и размеры растений. Только по их "артериям" транспортируется не растворенный кислород, а вода, которую корни растений забирают из почвы.

Приведем пример также из области нейрофизиологии. Нервный импульс распространяется значительно медленнее, чем передаются знаки азбуки Морзе по телеграфному проводу. Вовремя ли заметит удав, что ему наступили на хвост? Это конечно, шутка, но у крупных животных проблема связи действительно существует.

Совершенно новая глава биофизики открывается вопросом о предельных минимальных размерах биологических объектов. Почему бактерии не стали еще мельче? Почему клетки тканей именно такой величины, а не меньше? И здесь нам на помощь придут законы физики, но уже не "макрофизики", которая имеет дело с видимыми, весомыми, непосредственно измеряемыми телами, а "микрофизики", или статистической физики малых частиц. В дальнейшем мы коснемся этого раздела науки, а пока снова обратимся к макрообъектам.

Мышь вдыхает за минуту воздух, объем которого больше объема ее тела. У кошки объем воздуха, вдыхаемого за то же время, составляет 1/10, у козы — 2/100 и у лошади — 6/1000 объема тела. Так энергетические соотношения, рассчитанные с помощью теории подобия, находят отражение в физиологии

Итак, последний вопрос: насколько интересны и важны обсуждавшиеся здесь проблемы для самой биологии, для объяснения различных принципов организации в природе и ограничивается ли этим их значение? Даже если бы это было действительно так и наши попытки разобраться в подобных проблемах служили бы "только" расширению нашего кругозора, утоляли нашу неистощимую жажду познания, даже тогда они были бы оправданны!

В действительности же за каждой такой проблемой стоят чисто практические интересы. О бионике мы уже говорили. Можно привести и другие примеры. Наша химическая промышленность ежедневно выпускает новые соединения, фармакологическое действие которых нужно тщательно изучить. Эти соединения испытывают на лабораторных животных и на основании результатов опытов делают заключение о действии препаратов на человека. Дозы обычно определяют, исходя из веса тела. Верно ли это? Нет ли более подходящего параметра сравнения? Вспомним также об использовании экспериментальных животных в космических исследованиях. Как, исходя из действия изменившейся гравитации на мышь, собаку или обезьяну, судить о влиянии этого фактора на людей? Не следует забывать и о том, что люди тоже отличаются друг от друга размерами и пропорциями. Как, например, сравнивать физиологические показатели или спортивные достижения детей и взрослых? Как действует ожирение на работу сердца? Перечень подобных вопросов можно продолжить, и это говорит о практической важности поставленных выше проблем, которые для наглядности мы рассмотрели на очень простых примерах.

А теперь подведем итоги. В начале этой главы мы сравнивали технические и биологические объекты. Это вызвало у нас, казалось бы, довольно будничные вопросы. В поисках ответа на них мы привлекали на помощь физику, а также отчасти механику и математику. По мере углубления в эти проблемы мы узнали, что физические законы действуют в живой природе независимо от уровня биологической организации. И даже если нам не всегда удавалось свести биологические закономерности непосредственно к основным физическим законам, противоречия между ними не обнаруживалось. Основная задача этой главы — поставить как можно больше вопросов. Дальше мы будем постепенно переходить от видимого к невидимому, от большого к малому, обращая особое внимание на связь между формой объекта и его назначением, структурой и функцией.

Можно ли с помощью чисел описать форму живых организмов? Маргаритка — облачко точек в n-мерном фазовом пространстве. ЭВМ хранит информацию о многообразии форм и рассчитывает процессы эволюции. Изменчивость и отбор — процесс оптимизации жизни; как это можно использовать? Можно ли подсчитать целесообразность? Анализ оптимальности — что, как и сообразно с чем оптимизируется? Оптимальность и изменчивость форм — основа биологического многообразия.

В предыдущей главе мы говорили о величинах и измерениях. Теперь мы обратим свое внимание на форму и внешний вид растений и животных. Пригодятся ли нам и здесь математика и физика?

Анализ проблемы формы в биологии приводит нас к вопросам эстетики. Достаточно вспомнить, например, книгу Эрнста Геккеля "Красота форм в природе". Однако мы не будем заниматься эстетикой, а останемся на твердой почве естествознания. Тем не менее факт остается фактом — эстетика и проблемы формы в биологии тесно связаны. Эстетика и целесообразность в живой природе, очевидно, взаимозависимы. В повседневной жизни целесообразное отнюдь не всегда можно назвать "прекрасным". В технике целесообразность и красоту часто даже рассматривают как две противоположности. Биологическим же объектам свойственна совершенно особая целесообразность, и она представляется нам прекрасной.

Форма и целесообразность в биологии связаны с третьим понятием — приспособленностью. Более столетия назад мир познакомился с работой Чарлза Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение — благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". Эволюционная теория Дарвина является одной из составляющих частей современного научного мировоззрения, и каждому из нас знакомо выражение "борьба за существование". Эволюционное развитие определяется совокупностью двух процессов — вариабельности и селекции, или, проще говоря, случайной изменчивости и отбора.