Биология

Эритроциты млекопитающих по форме напоминают круглые .двояковогнутые диски. Они легко деформируются и могут про-ходить через капилляры, диаметр которых меньше диаметра эритроцита, тем не менее, диаметр этих клеток дает неплохое приближение для величины необходимого просвета капилляров. Если мы сравним размеры эритроцитов различных млекопитающих, то обнаружим, что в списке эритроцитов 115 видов млекопитающих большая часть значений (свыше 100) укладывалась в границы от 5 до 8 мкм без какой-либо корреляции с размерами тела. У самого мелкого млекопитающего — землеройки — и одного из самых крупных — горбатого кита — размеры эритроцитов практически одинаковы — 7,5 и 8,2 мкм соответственно. Ни у одного из млекопитающих диаметр эритроцитов не превышает 10 мкм, и только у нескольких (овца, коза, олень) диаметр меньше 5 мкм.

Можно сказать, что: 1) капилляры у самых мелких и самых крупных млекопитающих имеют фактически одинаковый диаметр и 2) высокая интенсивность метаболизма у самых мелких млекопитающих, очевидно, не требует какой-либо специфической адаптации эритроцитов (т. е. расстояние диффузии внутри эритроцита не оказывает влияния на интенсивность метаболизма).

У других позвоночных эритроциты овальные, а не дискообразные. У птиц короткий диаметр овального эритроцита почти равен диаметру эритроцита млекопитающих — от 6 до 7 мкм, а длинный — почти в два раза больше. Эритроциты рептилий также овальны и несколько больше, чем у птиц, — короткий и длинный диаметры составляют около 12 и 20 мкм. Эритроциты рыб имеют приблизительно такие же размеры, но в сравнении с ними эритроциты амфибий кажутся гигантскими. У бесхвостых амфибий эритроциты достигают 20 — 25 мкм длины, тогда как у хвостатых — 35 мкм, а у некоторых видов даже превышают 50 мкм.

Огромные различия в размерах между организмами заставляют задуматься над двумя вопросами: во-первых, каковы последствия различий в размерах, и во-вторых, имеются ли верхний и нижний пределы размеров живых организмов?

Остановимся сначала на вопросе о пределах. Микоплазма — самое мелкое из известных живых существ, способное жить и самостоятельно размножаться в искусственной среде. Она настолько мала, что при нейтральном рН клеточного содержимого в ее клетке имелось бы в среднем не более 2 водородных ионов. В столь малом объеме клетка должна содержать необходимый для обмена веществ набор белков и ферментов, способный обеспечить ее жизненные процессы; она должна быть способной к росту и размножению, и она должна также содержать полную генетическую информацию, необходимую для воспроизведения всей этой системы в целом. Поскольку макромолекулы, несущие метаболические и генетические функции, крайне важны и их размер уменьшить нельзя, по-видимому, клетка микоплазмы являет собой реальный нижний предел размеров живого организма. Еще более мелкие вирусы расстались с необходимостью иметь приспособления для осуществления метаболизма; они состоят в основном только из генетического материала и паразитируют внутри живых клеток, которые выполняют за них метаболическую работу, обеспечивающую воспроизведение их генетической информации.

На другом конце нашего размерного ряда находится 100-тонный голубой кит. Предполагают, и это принято более или менее как догма, что голубой кит смог стать таким большим потому, что его гигантскую массу поддерживает вода. Считают, что наземное животное с такой же массой было бы раздавлено собственным весом. Самое крупное наземное животное — 5-тонный слон.

Скелет представляет собой опорную систему: он поддерживает Форму тела и обеспечивает наличие рычагов, которыми оперируют мышцы. Скелет — это механически жесткая устойчивая структура; он может быть внутренним (эндоскелет, как у позвоночных, от рыб до млекопитающих) или внешним (экзоскелет, как у членистоногих, от крабов до пауков и насекомых).

Скелет должен быть достаточно прочным, чтобы, не разрушаясь, выдерживать различные нагрузки. Скелет должен удерживать вес животного, иначе оно будет раздавлено собственной тяжестью. Он должен противостоять силам, возникающим при движении и вызывающим изгибы и кручения, которые могут его разрушить. Скелет также должен быть устойчив к толчкам, и это, быть может, самое важное требование.

Более тяжелый скелет прочнее, и у неподвижных животных, например коралловых полипов, основную часть тела составляет скелетный материал. У подвижных животных тяжелый скелет увеличивает затраты на движение, уменьшает проворство и шансы спастись от хищников. Поэтому размеры и структура скелета определяются компромиссом между разными требованиями: что должно быть решающим — прочность или легкость?

Как же обстоит дело с «наружным скелетом» организма, который никогда не двигается сам по себе, — «скелетом» яйца птиц? Правильная форма, одинаковая толщина и постоянный состав значительно упрощают анализ скорлупы яйца. Яичная скорлупа состоит в основном из карбоната кальция, и плотность ее очень близка к 2,0 г/см’. (Плотность скорлупы незначительно, но достоверно возрастает с увеличением размеров яйца от 1,95 для яйца массой 1 г до 2,14 для яйца массой 1 кг, но мы можем не принимать эту разницу во внимание.)

Паганелли и ряд других ученых собрали данные о яйцах 368 видов птиц; полученное ими уравнение для массы скорлупы (Мс, г) имеет следующий вид:

Мс = 0,0482Мт

Это уравнение показывает, что у самого маленького яйца, скажем яйца колибри, которое весит около 0,3 г (Мт), скорлупа должна составлять в среднем 4% массы свежего яйца. А яйцо самой крупной из живущих на Земле птиц — страуса — весит 1 кг, и скорлупа у него должна весить 120 г, т. е. составлять 12% массы яйца. По сравнению с яйцом колибри это трехкратное увеличение относительной массы скорлупы.

Площадь поверхности яйца птицы зависит от квадрата радиуса или объема в степени 0,67, поэтому в целом увеличение массы скорлупы происходит благодаря ее утолщению.

Скорлупа, как это было описано выше, обеспечивает несколько защиту, через нее происходит также газообмен (кислород поступает внутрь яйца, а двуокись углерода выделяется наружу).

Газообмен происходит через поры, но толщина скорлупы не ограничивает диффузию газов, поскольку увеличение длины поры компенсируется изменениями в ее диаметре. Поэтому мы можем считать, что толщина скорлупы целиком определяется механическими свойствами яйца и его устойчивостью к внешним воздействиям — силе тяжести и толчкам. Тем самым обеспечивая развитие зародыша и защиту птенца до момента выхода его наружу.

У всех позвоночных и многих беспозвоночных кровь играет глав-ную роль в транспорте газов. У позвоночных кислород пере-носится гемоглобином, который содержится в эритроцитах. Двуокись углерода, напротив, переносится в основном в виде карбонат-ионов в плазме крови. Принято считать, что снабже-ние кислородом важнее, чем выведение двуокиси углерода, и что как бы ни было обильно снабжение кислородом, двуокись углерода выводится с той же скоростью, с которой она обра-зуется.

Основными параметрами, которые представляют интерес в связи с переносом кислорода и влияниями масштаба, являют-ся: 1) концентрация гемоглобина, которая определяет, как много кислорода может перенести одна единица объема крови; 2) общий объем крови в теле и следовательно, общее содержа-ние гемоглобина в крови; 3) размеры эритроцитов и 4) сродство гемоглобина к кислороду, которое важно как для связывания кислорода в легких, так и для передачи его в тканях.

Концентрацию гемоглобина и кислородную емкость крови изучали у большого ряда млекопитающих. Как можно было ожидать, кислородная емкость крови оказалась строго пропорциональной концентрации гемоглобина и ней. Средняя концентрация гемоглобина у 18 млекопитающих размерами от мелкой летучей мыши до лошади составляла 128,7 г гемоглобина на 1л крови. Соответствующее значение кислородной емкости крови было 175,0 мл 02 на 1 л крови. Какой-либо отчетливой связи с размерами тела не наблюдалось.
В литературе существует огромная масса дополнительной информации. Общая картина однообразна: концентрация гемоглобина в крови почти всех млекопитающих приближается к значению 150 г гемоглобина в 1 л крови, но редко его превышает, и эта величина, по-видимому, не зависит от размеров тела. Таким образом, у мелких млекопитающих, несмотря на присущий им высокий уровень метаболизма и относительно большие потребности в кислороде, кровь обладает такой же кислородной емкостью, как и у крупных млекопитающих.
Чем же обусловлен этот верхний предел (который все же в некоторых случаях превышается)? Нормальная кровь у млекопитающих состоит почти на 45% из эритроцитов и на 55% из плазмы, причем доля эритроцитов лишь изредка бывает выше. Когда человек акклиматизируется к большим высотам, доля эритроцитов и, таким образом, способность крови переносить кислород увеличиваются в ответ на более низкое его давление. Повышение концентрации гемоглобина в крови накладывает определенные обязательства, так как оно увеличивает вязкость крови и возлагает дополнительную нагрузку на сердце.
Когда доля эритроцитов в крови увеличивается, вязкость крови возрастает все более и более быстро, что делает невозможным бесконечное увеличение концентрации эритроцптов. До некоторого момента это окупается увеличением концентрации гемоглобина, поскольку на этом отрезке вязкость, а следовательно, и рабочая нагрузка на сердце возрастают лишь умеренно. Но затем, когда вязкость резко возрастает, рабочая нагрузка на сердце увеличивается непропорционально увеличению кислородной емкости. Оптимальная точка, при которой переносится максимальное количество кислорода на единицу работы сердца, задается касательной к кривой вязкости, проведенной из начала координат. Соответствующая ей концентрация гемоглобина составляет около 150 г на 1 л крови. Это и есть обычная концентрация гемоглобина в крови млекопитающих, при которой, следовательно, переносится максимальное количество кислорода с наименьшей возможной рабочей нагрузкой на сердце.

Животные очень отличаются друг от друга. Слон не похож на мышь ни по форме, ни по размерам. Размеры — это одна из самых важных характеристик животного, и вместе с тем различия в размерах столь очевидны, что мы часто не задумываемся об этом. Известно, что слон значительно крупнее мыши, но почему? Если измерить слона, то окажется, что он тяжелее в 100000 раз мыши. Самая мелкая взрослая землеройка меньше мыши в 10 раз, что составляет одну миллионную долю слона.
Все живое на планете Земля управляется законами физики и химии, и животные тоже существуют в пределах, определяемых этими законами. Поэтому размеры тела оказывают глубокое влияние на структуру и функцию, а также имеют решающее значение для выживания организма.