Давно было замечено, что одни животные и растения более активны, быстрее растут, раньше дают потомство, но быстрее и умирают. Другие явно не торопятся, но и живут дольше (секвойя - более 3 тысяч лет).
Аналогично различаются процессы в обществе, в космосе, в геологии. Одни звезды сгорают со взрывом, другие теплятся многие миллиарды лет. В глухой деревне время как бы останавливается. В зарубежных русских поселениях сохраняются язык и традиции далекого прошлого. По-разному активны люди, а также каждый человек в зависимости от возраста. Правда, срок жизни от этого не сильно зависит.
Эти примеры наводят на мысль о внутренних часах организма и вообще процесса и об измерении этого времени количеством событий. Правда, не всегда ясно, какие события надо учитывать, поскольку не бывает так, чтобы событий вообще не было. Даже неподвижная металлическая балка "устает", и со временем ее придется отправить в переплавку. Но и высокая подвижность объекта еще не говорит о значительности его действий. Именно так бывает, когда говорят, что дурная голова ногам покоя не дает.
Хорошо изучены изменения живых организмов. Причина весьма прозаическая: человеку нужны продукты питания. И ему не безразлично, насколько быстро будет взращиваться продукция. Важен, конечно, научный и, в частности, философский аспект. Нам небезразлично место жизни во Вселенной и человека в этой жизни.
Для живых организмов используют понятие интенсивности метаболизма (или короче просто метаболизма), понимая под ним общее потребление энергии живым организмом или, что то же, энергетический обмен.
В науке считают достаточно точным измерять метаболизм через потребление кислорода, которое привлекательно тем, что его технически нетрудно зафиксировать. При этом, конечно, понимают, что собственно получаемые калории содержатся в пище, а не в воздухе. Кислород - это скорее инструмент для извлечения энергии из продуктов питания. Но это весьма объективный и точный инструмент, возможно, такой же как весы. Наоборот, исключительно трудно замерить, какая часть съеденного расщепилась и пошла в дело.
Поэтому с потреблением кислорода отчасти верно будет сказать, что ищут там, где светлее, а не там, где надо. Непросто сравнить метаболизм разных животных, так как для каждого индивида трудно найти точку отсчета. Энергообмен сильно зависит от многих обстоятельств и может значительно колебаться в течение суток, особенно у холоднокровных животных. Метаболизм замедляется во время сна, а уж тем более, в период спячки. Анаэробные организмы вообще не потребляют кислорода, но метаболизм у них, естественно, есть.
Есть также понятие удельного метаболизма, т.е. потребления энергии на единицу массы тела. Нетрудно догадаться, что слон производит больше тепла, чем муха, но муха заметно более активна, и само количество энергии никак не отражает эту активность. А удельный метаболизм отражает.
Значительная часть потребляемой энергии у теплокровных животных идет на поддержание температуры тела. Надо сказать, что в организмах нет специальных подогревающих приборов, как, скажем, у человека в домашнем хозяйстве. Выделение тепла - это сопутствующее явление практически для всех химических и физических процессов в организме, да и в неживой природе. Паровой двигатель принципиально не может переводить все энергию сжигаемого топлива в полезную работу, львиная доля энергии просто рассеивается в пространство. Аналогично нагревается и требует постоянного охлаждения двигатель автомобиля.
Чаще живые организмы сталкиваются, наоборот, с проблемой отвода излишнего тепла, на что тоже требуется энергия и непростые механизмы (в частности, потоотделение). В любом случае обмен теплом с окружающим пространством происходит главным образом через поверхность тела. Причем поверхность все равно отдает тепло даже тогда, когда (например, в мороз) это совсем не нужно организму.
В 1839г. Саррус и Рэмо заключили, что потери и соответственно производство тепла у теплокровного животного должны быть примерно пропорциональны его свободной поверхности тела, а поскольку у небольшого организма поверхность тела относительно больше, то у него должна быть и относительно выше теплопродукция, а значит, и удельный метаболизм.
В 1847г. Бергман сформулировал получившее широкую известность правило, что у теплокровных животных в более холодном климате размеры тела больше. Но только после убедительных экспериментов Рубнера был повсеместно принят "закон поверхности", который логическим путем вывели Саррус и Рэмо.
Поверхность даже у одного животного может быть весьма неоднородна. Где-то она покрыта шерстью. Где-то ее температура, а значит, и теплоотдача меньше. Большое количество тепла уходит с выдыхаемым воздухом. Так что нелишним кажется включить площадь легких, а у собак - и языка. Однако, как показали эксперименты, упомянутый закон достаточно точен, так как неявно отражает названные и многие другие детали.
В отличие от веса, посчитать площадь тела непросто. Для этого измеряли шкуры. Несколько неожиданным выглядит подсчет количества краски, которое идет на окрашивание животного, а также оборотов валика при окрашивании, но это вполне научные методы.
Далее усилия многих ученых были направлены на уточнение закона. Выявились существенные отличия для разных классов животных, и иногда и в пределах одного класса (например, для воробьиных). Наиболее надежные результаты получены для теплокровных животных, но есть основания предполагать общность закона даже там, где его проявления смазаны разными особенностями.
При несколько разных коэффициентах пропорциональности в целом картина представляется следующей. Внутри одного вида метаболизм пропорционален массе тела в степени 2/3, а значит, удельный метаболизм пропорционален массе в степени минус 1/3. Т.е. при увеличении массы в 8 раз активность жизненных процессов снижается вдвое, что полностью соответствует закону поверхности.
Однако от одного вида к другому метаболизм пропорционален массе в степени 3/4, а значит, удельный метаболизм - массе в степени минус 1/4. Т.е. активность снижается вдвое от роста массы в 16 раз. Природа хотя и вынуждена была снизить удельный метаболизм у крупных животных, но все же сделала это не так резко и существенно разминулась с законом поверхности. Впрочем, дело не сменилось хаосом, а заработал другой закон. Он отчетливо проявляется в природе, но у ученых нет никаких убедительных расчетов для объяснения показателя 3/4.
Этот эффект еще более странен тем, что скелет занимает все большую часть тела, а костные ткани практически не участвуют в метаболизме. Наиболее активно поедают кислород органы брюшной полости, мозг и мышцы. При этом клетки не зависят от массы животных, их размер 10 микрон. В микроскоп почти невозможно отличить клетки лошади и мыши.
Проблема обросла огромными исследованиями, но один фактор сразу бросается в глаза: слон, носорог, бегемот абсолютно голы. Когда трудность существования связана в основном с отдачей излишков тепла, то можно представить более выгодную ребристую поверхность, а еще в виде радиатора водяного отопления. Но неровную поверхность было бы затруднительно чистить, так как до нее невозможно дотянуться массивными конечностями.
По-видимому, отсутствие шерсти, является преимуществом в теплых краях. Африканский охотник по следам догонит любое животное, сколь быстро оно бы ни бегало, так как из-за перегрева оно вынуждено будет останавливаться. В Древней Греции считалось, что гонец на своих двоих намного эффективнее конного. Отсутствие сплошного волосяного покрова далеко не ново в природе, но показало свою эффективность только на крупнейших животных. Человек как-то выпал из этой закономерности.
А может быть, не выпал? Скорее всего, регулярно происходят мутации, ведущие, так сказать, к оголению организма. Но даже среди приматов они не закрепляются, так как не дают полезного эффекта. Для холодных ночей даже в Африке не мешает теплая шкура. Совсем другое дело с предком человека, который тоже был изрядно волосат. Здесь особь с редкой растительностью могла построить себе на ночь укрытие от холода или накрыться чужой шкурой, зато днем в жару превосходства организма колоссальны, и можно вести активную деятельность, в частности, охотиться на тех, кто разомлел от жары.
С таких позиций оголение человеческого тела не выглядит подарком свыше. Во всяком случае, если это подарок, то он был задуман очень давно, задолго до появления лысых слонов и бегемотов.
Залезть в чужую шкуру, как и погреться у огня - это революционный переворот в метаболизме и во всей истории жизни на Земле. Хотя человек еще сохраняет биологические закономерности, доставшиеся ему от животных, но по сути он вышел на новый простор и попрал "закон поверхности", который жестко ограничивал активность живых существ.
Выделившись из животного мира не только зачатками разума, но и физически, человек приобрел невиданные ранее преимущества, которые грозят в будущем полным освобождением от биологических ограничений. Поэтому прежние тенденции в развитии живой природы для него не имеют значения. И все же для полноты картины нелишне представить, что было бы через многие миллионы лет, если бы развитие разума у нашего предка остановилось, и он ограничился использованием чужих шкур.
Чем меньше тело, тем более ловким и быстрым может быть организм. Правда, большую голову с немалым мозгом надо на чем-то носить. Не исключено, мозг будет и дальше уменьшаться, как на протяжении последней сотни тысяч лет. Пока не ясно, за счет чего можно его уменьшать, но пути природы (или Господа) неисповедимы. Так, изобретение гемоглобина и гемоцианина повысило эффективность переноса кислорода кровью в сто раз. Без них млекопитающие так бы и остались в норах.
Не исключено, что важнейшие процессы мозга идут на таком глубоком уровне микромира, о котором мы даже не догадывается. Но если даже не идут, то есть целесообразность их использовать, чтобы уменьшить мозг и ускорить его процессы. А значит, рано или поздно эволюция должна затронуть самые глубины материи.
Но даже для переноса килограммового мозга вполне хватило бы той же массы мышц и скелета. Такое уменьшение размеров позволило бы освободиться от ряда громоздких систем. Дыхательную систему вообще можно упразднить, а поставку кислорода осуществлять через трахеи, как у насекомых. Во всяком случае, тело сгодилось бы по образцу насекомого, а на мозг хватило бы легких в 100 раз меньше, чем у современного человека. Тогда и у мозга не было бы лишних проблем с обслуживанием громоздкого организма, а значит, вновь выявляется ресурс для облегчения мозга, а вслед за ним и тела. Таким образом, процесс может нарастать и усиливать сам себя.
С малым ростом естественно появляется опасность быть съеденным или случайно раздавленным более крупными животными, хоть и более глупыми. Но как показывает опыт насекомых, численностью можно задавить все. Не будет ошибкой сказать, что и сейчас Земля - это планета насекомых. Среди них только изученных видов около миллиона, что намного больше всех других известных видов земной фауны.
Итак, наш предок при другом варианте эволюции мог превратиться в насекомое, сначала с большой головой, а потом и маленькой. Не помешали бы крылья. Дальнейшее уменьшение сдерживают размеры клеток и генетических структур. Не исключено, что когда-нибудь дошла бы очередь и до них. А если там стоят какие-то непреодолимые препятствия, то фактически природа уже придумала как их обойти, дав человеку разум. Если жизни не суждено пробраться в микромир естественным путем, то путь туда проложит человек. Н.В.Невесенко
Аналогично различаются процессы в обществе, в космосе, в геологии. Одни звезды сгорают со взрывом, другие теплятся многие миллиарды лет. В глухой деревне время как бы останавливается. В зарубежных русских поселениях сохраняются язык и традиции далекого прошлого. По-разному активны люди, а также каждый человек в зависимости от возраста. Правда, срок жизни от этого не сильно зависит.
Эти примеры наводят на мысль о внутренних часах организма и вообще процесса и об измерении этого времени количеством событий. Правда, не всегда ясно, какие события надо учитывать, поскольку не бывает так, чтобы событий вообще не было. Даже неподвижная металлическая балка "устает", и со временем ее придется отправить в переплавку. Но и высокая подвижность объекта еще не говорит о значительности его действий. Именно так бывает, когда говорят, что дурная голова ногам покоя не дает.
Хорошо изучены изменения живых организмов. Причина весьма прозаическая: человеку нужны продукты питания. И ему не безразлично, насколько быстро будет взращиваться продукция. Важен, конечно, научный и, в частности, философский аспект. Нам небезразлично место жизни во Вселенной и человека в этой жизни.
Для живых организмов используют понятие интенсивности метаболизма (или короче просто метаболизма), понимая под ним общее потребление энергии живым организмом или, что то же, энергетический обмен.
В науке считают достаточно точным измерять метаболизм через потребление кислорода, которое привлекательно тем, что его технически нетрудно зафиксировать. При этом, конечно, понимают, что собственно получаемые калории содержатся в пище, а не в воздухе. Кислород - это скорее инструмент для извлечения энергии из продуктов питания. Но это весьма объективный и точный инструмент, возможно, такой же как весы. Наоборот, исключительно трудно замерить, какая часть съеденного расщепилась и пошла в дело.
Поэтому с потреблением кислорода отчасти верно будет сказать, что ищут там, где светлее, а не там, где надо. Непросто сравнить метаболизм разных животных, так как для каждого индивида трудно найти точку отсчета. Энергообмен сильно зависит от многих обстоятельств и может значительно колебаться в течение суток, особенно у холоднокровных животных. Метаболизм замедляется во время сна, а уж тем более, в период спячки. Анаэробные организмы вообще не потребляют кислорода, но метаболизм у них, естественно, есть.
Есть также понятие удельного метаболизма, т.е. потребления энергии на единицу массы тела. Нетрудно догадаться, что слон производит больше тепла, чем муха, но муха заметно более активна, и само количество энергии никак не отражает эту активность. А удельный метаболизм отражает.
Значительная часть потребляемой энергии у теплокровных животных идет на поддержание температуры тела. Надо сказать, что в организмах нет специальных подогревающих приборов, как, скажем, у человека в домашнем хозяйстве. Выделение тепла - это сопутствующее явление практически для всех химических и физических процессов в организме, да и в неживой природе. Паровой двигатель принципиально не может переводить все энергию сжигаемого топлива в полезную работу, львиная доля энергии просто рассеивается в пространство. Аналогично нагревается и требует постоянного охлаждения двигатель автомобиля.
Чаще живые организмы сталкиваются, наоборот, с проблемой отвода излишнего тепла, на что тоже требуется энергия и непростые механизмы (в частности, потоотделение). В любом случае обмен теплом с окружающим пространством происходит главным образом через поверхность тела. Причем поверхность все равно отдает тепло даже тогда, когда (например, в мороз) это совсем не нужно организму.
В 1839г. Саррус и Рэмо заключили, что потери и соответственно производство тепла у теплокровного животного должны быть примерно пропорциональны его свободной поверхности тела, а поскольку у небольшого организма поверхность тела относительно больше, то у него должна быть и относительно выше теплопродукция, а значит, и удельный метаболизм.
В 1847г. Бергман сформулировал получившее широкую известность правило, что у теплокровных животных в более холодном климате размеры тела больше. Но только после убедительных экспериментов Рубнера был повсеместно принят "закон поверхности", который логическим путем вывели Саррус и Рэмо.
Поверхность даже у одного животного может быть весьма неоднородна. Где-то она покрыта шерстью. Где-то ее температура, а значит, и теплоотдача меньше. Большое количество тепла уходит с выдыхаемым воздухом. Так что нелишним кажется включить площадь легких, а у собак - и языка. Однако, как показали эксперименты, упомянутый закон достаточно точен, так как неявно отражает названные и многие другие детали.
В отличие от веса, посчитать площадь тела непросто. Для этого измеряли шкуры. Несколько неожиданным выглядит подсчет количества краски, которое идет на окрашивание животного, а также оборотов валика при окрашивании, но это вполне научные методы.
Далее усилия многих ученых были направлены на уточнение закона. Выявились существенные отличия для разных классов животных, и иногда и в пределах одного класса (например, для воробьиных). Наиболее надежные результаты получены для теплокровных животных, но есть основания предполагать общность закона даже там, где его проявления смазаны разными особенностями.
При несколько разных коэффициентах пропорциональности в целом картина представляется следующей. Внутри одного вида метаболизм пропорционален массе тела в степени 2/3, а значит, удельный метаболизм пропорционален массе в степени минус 1/3. Т.е. при увеличении массы в 8 раз активность жизненных процессов снижается вдвое, что полностью соответствует закону поверхности.
Однако от одного вида к другому метаболизм пропорционален массе в степени 3/4, а значит, удельный метаболизм - массе в степени минус 1/4. Т.е. активность снижается вдвое от роста массы в 16 раз. Природа хотя и вынуждена была снизить удельный метаболизм у крупных животных, но все же сделала это не так резко и существенно разминулась с законом поверхности. Впрочем, дело не сменилось хаосом, а заработал другой закон. Он отчетливо проявляется в природе, но у ученых нет никаких убедительных расчетов для объяснения показателя 3/4.
Этот эффект еще более странен тем, что скелет занимает все большую часть тела, а костные ткани практически не участвуют в метаболизме. Наиболее активно поедают кислород органы брюшной полости, мозг и мышцы. При этом клетки не зависят от массы животных, их размер 10 микрон. В микроскоп почти невозможно отличить клетки лошади и мыши.
Проблема обросла огромными исследованиями, но один фактор сразу бросается в глаза: слон, носорог, бегемот абсолютно голы. Когда трудность существования связана в основном с отдачей излишков тепла, то можно представить более выгодную ребристую поверхность, а еще в виде радиатора водяного отопления. Но неровную поверхность было бы затруднительно чистить, так как до нее невозможно дотянуться массивными конечностями.
По-видимому, отсутствие шерсти, является преимуществом в теплых краях. Африканский охотник по следам догонит любое животное, сколь быстро оно бы ни бегало, так как из-за перегрева оно вынуждено будет останавливаться. В Древней Греции считалось, что гонец на своих двоих намного эффективнее конного. Отсутствие сплошного волосяного покрова далеко не ново в природе, но показало свою эффективность только на крупнейших животных. Человек как-то выпал из этой закономерности.
А может быть, не выпал? Скорее всего, регулярно происходят мутации, ведущие, так сказать, к оголению организма. Но даже среди приматов они не закрепляются, так как не дают полезного эффекта. Для холодных ночей даже в Африке не мешает теплая шкура. Совсем другое дело с предком человека, который тоже был изрядно волосат. Здесь особь с редкой растительностью могла построить себе на ночь укрытие от холода или накрыться чужой шкурой, зато днем в жару превосходства организма колоссальны, и можно вести активную деятельность, в частности, охотиться на тех, кто разомлел от жары.
С таких позиций оголение человеческого тела не выглядит подарком свыше. Во всяком случае, если это подарок, то он был задуман очень давно, задолго до появления лысых слонов и бегемотов.
Залезть в чужую шкуру, как и погреться у огня - это революционный переворот в метаболизме и во всей истории жизни на Земле. Хотя человек еще сохраняет биологические закономерности, доставшиеся ему от животных, но по сути он вышел на новый простор и попрал "закон поверхности", который жестко ограничивал активность живых существ.
Выделившись из животного мира не только зачатками разума, но и физически, человек приобрел невиданные ранее преимущества, которые грозят в будущем полным освобождением от биологических ограничений. Поэтому прежние тенденции в развитии живой природы для него не имеют значения. И все же для полноты картины нелишне представить, что было бы через многие миллионы лет, если бы развитие разума у нашего предка остановилось, и он ограничился использованием чужих шкур.
Чем меньше тело, тем более ловким и быстрым может быть организм. Правда, большую голову с немалым мозгом надо на чем-то носить. Не исключено, мозг будет и дальше уменьшаться, как на протяжении последней сотни тысяч лет. Пока не ясно, за счет чего можно его уменьшать, но пути природы (или Господа) неисповедимы. Так, изобретение гемоглобина и гемоцианина повысило эффективность переноса кислорода кровью в сто раз. Без них млекопитающие так бы и остались в норах.
Не исключено, что важнейшие процессы мозга идут на таком глубоком уровне микромира, о котором мы даже не догадывается. Но если даже не идут, то есть целесообразность их использовать, чтобы уменьшить мозг и ускорить его процессы. А значит, рано или поздно эволюция должна затронуть самые глубины материи.
Но даже для переноса килограммового мозга вполне хватило бы той же массы мышц и скелета. Такое уменьшение размеров позволило бы освободиться от ряда громоздких систем. Дыхательную систему вообще можно упразднить, а поставку кислорода осуществлять через трахеи, как у насекомых. Во всяком случае, тело сгодилось бы по образцу насекомого, а на мозг хватило бы легких в 100 раз меньше, чем у современного человека. Тогда и у мозга не было бы лишних проблем с обслуживанием громоздкого организма, а значит, вновь выявляется ресурс для облегчения мозга, а вслед за ним и тела. Таким образом, процесс может нарастать и усиливать сам себя.
С малым ростом естественно появляется опасность быть съеденным или случайно раздавленным более крупными животными, хоть и более глупыми. Но как показывает опыт насекомых, численностью можно задавить все. Не будет ошибкой сказать, что и сейчас Земля - это планета насекомых. Среди них только изученных видов около миллиона, что намного больше всех других известных видов земной фауны.
Итак, наш предок при другом варианте эволюции мог превратиться в насекомое, сначала с большой головой, а потом и маленькой. Не помешали бы крылья. Дальнейшее уменьшение сдерживают размеры клеток и генетических структур. Не исключено, что когда-нибудь дошла бы очередь и до них. А если там стоят какие-то непреодолимые препятствия, то фактически природа уже придумала как их обойти, дав человеку разум. Если жизни не суждено пробраться в микромир естественным путем, то путь туда проложит человек. Н.В.Невесенко
Обсуждения Метаболизм и эволюция