Всё наоборот

Особи одного и того же вида, живущие в разных климатических условиях, приобретают некие внутривидовые различия.

— Пааап, — протянул Ваня, истощив все свои догадки. — Ну всё-таки, а почему?

— Хм, — папа улыбнулся в бороду. — Ну вот смотри, — папа снял с елки две игрушки — шарик и звездочку. — Обладая какой формой легче сохранить тепло — шарообразной или такой вот... в-разные-стороны-торчащей?

— Ну... шарообразной, наверное.

— А почему?

— Ну я не знаю, почему, знаю только, что птицы, чтобы не замерзнуть, подбирают крылья, ноги, шеи, получается такой... шарик.

— Отлично! Ты совершенно прав. На самом деле шарик сохраняет тепло потому, что у него объем большой, а площадь поверхности маленькая. Производишь ты тепло всем объемом тела, а испаряешь — только с поверхности, и если соотношение поверхности и объема маленькое, то и тепла ты отдашь немного. Понятно?

— Кажется, понятно! Тогда знаешь что? Тогда я, кажется, понимаю, почему у оленей на севере будут короче уши, хвосты и ноги, чем у оленей на юге. Потому что, когда всё это короткое и далеко не выступает, поверхность становится меньше и легче сохранять тепло!

— Молодец! Это правило называется правилом Аллена и звучит оно так: представители вида, которые живут в более холодных условиях, имеют меньшие по размеру выступающие части тела. Верно это правило только для теплокровных животных, потому что им важно сохранять тепло — холоднокровные просто остынут и все. Это правило — пример явления, которое называется клинальной изменчивостью. Клинальная изменчивость — это такая ситуация, когда один и тот же признак — ну, там, длина ушей или размер тела — постепенно меняется от одной части местообитания вида к другой: например, с севера на юг или с подножия горы к ее вершине. Понятно?

— Понятно!

— Тогда скажи, почему северные звери будут крупнее южных?

— Ммм... Да потому же! Потому что у крупного зверя отношение поверхности к объему будет меньше. И значит, чем ты больше, тем легче тебе сберечь тепло?

— Ну конечно! Это правило называется правилом Бергмана и связано с той же клинальной изменчивостью. Кстати! Наш Дед Мороз, ну, вернее, Дед Жара, отнюдь не наверняка будет пигмеем, то есть человеком маленького роста. Хотя низкорослые племена и характерны для экваториальных мест по всему миру (и это — один из примеров справедливости правила Бергмана), но в жарких местах встречаются и очень высокорослые племена. Это — одно из доказательств того, что правило Бергмана (а также и правило Аллена) не абсолютно, это только одна из закономерностей, определяющих фенотип (то есть внешние признаки) живого существа.

—- Пап! Я, кажется, понял, почему маленькие звери — ну, там, мыши или такие, знаешь, крохотные собачки — всё время дрожат! Им холодно оттого, что они маленькие!

— Именно!

— Ура, я догадался! Пап. А вот я не понимаю все равно — почему они бы были более яркой раскраски?

— А, вот это хороший вопрос. Строго говоря, никто этого до конца не понимает. Но просто еще в середине позапрошлого века один зоолог, Константин Глогер, подметил, что чем жарче и влажнее среда обитания теплокровного животного, тем ярче оно окрашено. Это правило называется правилом Глогера. Почему так — понятно не до конца, ну, видимо, в ярких южных краях поневоле приходится быть ярким — просто чтобы не бросаться в глаза. А может, причина в том, что при разной температуре синтез пигмента идет чуть-чуть по-разному. Кстати, правило это верно и для человека — вот и наш Дед Мороз, ну, в смысле, Дед Жара, был бы темнокожим, а не светлокожим, как северный дед. Причем для человеческой чернокожести есть вполне сносное объяснение: чем темнее кожа, тем лучше она защищает от ультрафиолетового излучения (которого много в жарких местах). Но, разумеется, правило Глогера — как и правила Аллена и Бергмана — имеет множество исключений.

Связь между размером тела и его способностью к сохранению тепла — вообще интересная и широко разветвленная тема. Нисколько не претендуя на всеобъемлющее ее освещение, соберу в этом послесловии «винегрет» из разнообразных ее аспектов.

Вначале несколько формул.

В 1932 году швейцарский ученый Макс Клайбер вывел эмпирический «закон трех четвертей» (он же «закон Клайбера»): базовый метаболический уровень животного В (измеряемый по выделяемому этим животным теплу) пропорционален его массе М в степени три четверти. То есть уровень метаболизма с увеличением массы растет всё медленнее и медленнее, и метаболизм кошки всего примерно в 30 раз выше метаболизма мыши, хотя массы их различаются в сто раз.

За прошедшее с 1932 года время этот закон модифицировался то так, то иначе, обрастал подробностями и дополнительными слагаемыми, пока наконец несколько лет назад не превратился вот в такое устрашающее уравнение (см. Tom Kolokotrones et al., 2010. Curvature in metabolic scaling):

,

где B — базовый уровень метаболизма в ваттах, M — масса в граммах, T — температура тела живого существа в кельвинах, а остальное — всевозможные коэффициенты, которые подбираются по своим сложным правилам. Из формулы можно сделать очевидный вывод: что увеличивать свою массу до бесконечности — дело невыгодное, поскольку начиная с какого-то момента (если быть точнее — с того момента, как тангенс угла наклона графика данного уравнения превысит единицу) увеличивать массу тела на x% — значит, увеличивать уровень своего метаболизма более чем на x%, что невыгодно энергетически. С другой стороны, очень маленьким тоже быть несладко, и по той же причине: начиная с какого-то момента уменьшение массы тоже заставляет слишком сильно повышать базовый уровень метаболизма. Однако если формула корректно предсказывает массу самого большого животного (синего кита; M = 100 тонн), но с маленькими животными дает осечку, предполагая минимальную возможную массу примерно равную массе атома (M = 10^–26 грамма).

Теперь посмотрим на проблему с другой стороны. Связь между уровнем метаболизма и массой тела имеет самое прямое отношение к устройству кровеносной системы: показано, что общий объем кровеносной системы пропорционален массе тела, а количество капилляров — уровню его метаболизма. Следовательно, с помощью определенных формул можно описать как иерархию кровеносной системы (ее ветвление от крупных сосудов к мелким), так и принципы устройства других иерархических систем, причем не только биологических, а, например, инженерных или систем передачи информации (см. Jayanth R. Banavar et al, 2010. A general basis for quarter-power scaling in animals и Yuriy Mileyko et al, 2012. Hierarchical Ordering of Reticular Networks).

Есть и более насущный аспект данной темы — ожирение. Изучение связи между метаболизмом и массой тела помогает разобраться в том, что такое нормальный вес и каковы могут быть причины его нарушения (см. Karl J. Kaiyala and Michael W. Schwartz, 2011. Toward a More Complete (and Less Controversial) Understanding of Energy Expenditure and Its Role in Obesity Pathogenesis).

И наконец, еще один неожиданный взгляд на проблему — экология и глобальное потепление. Если общемировая температура действительно будет подниматься, то это не только прямым образом переменит экологический баланс существующих сообществ, но и окажет на все живые существа многочисленные косвенные влияния. Например, произойдет «перекос» в сторону более мелких особей, что связано с вышеупомянутым правилом Бергмана. Очевидно, это изменит экологическое равновесие (см. Ulrich Brose et al., 2012. Climate change in size-structured ecosystems).