0,75 czyli potęga Życia – odc. 1

11 grudnia 2008 at 11:49 1 komentarz

Układ oddechowy owadów składa się z systemu szczelinek – tchawek oraz przetchlinek – otworków rozsianych po powierzchni ciała, przez które powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym wpycha się do organizmu. To system prosty i niezawodny, ale działa dobrze jedynie na odcinku kilku centymetrów. 300 milionów lat temu, w karbonie, wprawdzie nad ziemią latały ważki o rozpiętości skrzydeł wynoszącej 75 centymetrów, lecz w tamtych czasach powietrze zawierało więcej tlenu niż dzisiaj.

Dziś dwumetrowy karaczan znaczy tyle, co uduszony karaczan. A zarazem karaczan z powyłamywanymi nogami, ponieważ gdyby powiększyć owada do rozmiarów słonia, jego odnóża załamałyby się pod ciężarem ciała.
Wytrzymałość kości i mięśni zależy od ich grubości. Jeżeli powiększymy zwierzę czterokrotnie, wytrzymałość jego kości wzrośnie szesnastokrotnie. Bardziej jednak zwiększy się ciężar, bo proporcjonalnie do objętości, czyli aż 64 razy. Większe kości, choć mocniejsze, nie utrzymają go.

Wytrzymałość kości i mięśni zależy od ich grubości. Jeżeli powiększymy zwierzę czterokrotnie, wytrzymałość jego kości wzrośnie szesnastokrotnie. Bardziej jednak zwiększy się ciężar, bo proporcjonalnie do objętości, czyli aż 64 razy. Większe kości, choć mocniejsze, nie utrzymają go.

O gotowaniu słoni

Żuk gnojowy jest w stanie udźwignąć ładunek 400-krotnie przewyższający jego masę, ale już człowiek z trudem podnosi innego człowieka., a słoń nie da rady iść z drugim słoniem na grzbiecie. Z kolei zminiaturyzowane ośmiornice grzęzłyby w wodzie jak w miodzie, nie mogąc wykonać żadnego ruchu – przy tych bowiem rozmiarach zostałyby spętane siłami spójności wody. Gdyby człowiek chciał wykorzystywać napięcie powierzchniowe wody, by przechadzać się po jej powierzchni, jak nartnik, musiałby rozciągnąć swoje kończyny na długość siedmiu kilometrów (!).

Te przykłady pokazują, że w biologii pojęcie „takie samo, tylko większe” nie ma racji bytu. Wiedza o zasadach rządzących życiem mrówek na nic się nie przyda, kiedy zechcemy wnioskować coś na temat wielorybów. Słonie to nie duże mrówki. Rozmiar ma znaczenie i basta!

Jakże inaczej wyglądają na tym tle prawa fizyki. Duże i małe kulki spadają z wieży w ten sam sposób, a grawitacja nie traktuje inaczej okruchów chleba i wielkich ciał kosmicznych. W biologii nie sprawdzają się proste prawa skalowania.

Czy w nauce o życiu są jakieś zasady, które działałyby we wszystkich skalach wielkości?

Rozglądając się za fundamentalnymi prawami, zacznijmy od tego, co napędza życie. Skąd zwierzęta czerpią energię? Ze spalania w komórkach. Im większą mają objętość, tym więcej mają komórek, zarazem tym więcej energii, a przy okazji i ciepła. Trzeba jednak umieć odpowiednio nim gospodarować, dlatego równie istotna wydaje się zdolność chłodzenia. Ta zaś zależy od powierzchni ciała, przez które ciepło daje się wypromieniować.

Małe zwierzęta mają dużą powierzchnię ciała w stosunku do objetości, więc świetnie radzą sobie tam, gdzie problemem jest nadmiar ciepła, na przykład w obszarach równikowych, a już znacznie gorzej w klimacie zimnym. Dlatego w rejonach polarnych wystepują duże zwierzęta: foki, morsy lub niedźwiedzie, a nie myszy lub motyle. Stosunkowo małe pingwiny „oszukują” naturę, na czas zimy zbijając się w stada, dzięki czemu stają się jednym wielkim organizmem.

Jjaki z tego wniosek? Im mniejsze zwierzę, ty większe są jego straty cieplne i tym więcej kalorii musi spalić, by uzupełnić utraconą energię. Mysz spędza na jedzeniu niemal cały dzień i pochłania dwukrotnie więcej pokarmu, niż sama waży. Ilość pokarmu, jaką zadowoli się słoń, jest – w przeliczeniu na kilogram masy ciała – niemal 30 razy mniejsza. 50-gramowe ciałko myszy produkuje 5 kilokalorii ciepła dziennie (100 kalorii na gram ciała). Pięciotonowe słonisko – zaledwie 60 tysięcy kalorii (12 kalorii na gram ciała). Gdyby słoń utrzymywał ten sam poziom metabolizmu co mysz, ugotowałby się we własnej skórze!

Trzy czwarte jest uparte

To, że duże zwierzęta mają wolniejszą przemianę materii niz małe, zaobserwował w 1932 roku Max Kleiber, biolog z uniwersytetu w Kalifornii. Zwierzęce obrzymy żyją niespiesznie i długo. Ich serca biją powoli. W ciągu minuty słoń bierze 6 oddechów, człowiek – 20, mysz – aż 150.

Obdarowując jednych hojniej, inych oszczędniej, matka natura w jednym starała się być sprawiedliwa: każdemu stworzeniu, niezależnie od gatunku i rozmiaru, przyznała po miliardzie uderzeń serca. Maluchy wykorzystują je bardzo szybko, więc żyją krótko – myszy dwa lata, króliki pięć lat. Natomiast olbrzymy rozkładają swój potencjał na dłużej – słonie żyją 40 lat, a wielkie żółwie z Galapagos prawie dwa wieki.

Kiedy Max Kleber porównał tempo metabolizmu myszy, słoni i niemal wszystkich innych zwierząt, kóre znał, okazało się, że jest ono proporcjonalne do masy stworzenia podniesionej do potęgi trzy czwarte (czyli do pierwiastka czwartego stopnia z masy do potęgi trzeciej), a długość życia zależy od masy w potędze jedna czwarta.

To było pierwsze uniwersalne prawo przyrody – obowiązujące wszystkich bez wyjątku, przez 21 rzędów wielkości, od bakterii po walenie. I zarazem bardzo dziwne prawo. Dlaczego? Bo niby skąd wziął się tajemniczy wykładnik trzy czwarte?

O tym w następnym odcinku…

Irena Cieślińska
Przekrój Nauki nr 8/2008

 

Zobacz także: 

0,75 czyli potęga życia – odc. 2

0,75 czyli potęga życia – odc. 3

Boska Proporcja – mit czy odcisk Boskiego Matematyka? 

Deus ex Machina

Advertisements

Entry filed under: odkrycia naukowe. Tags: , , , , .

Mózg na zakręcie Ciekawostki – 10 rzeczy, których nie wiesz o skórze

1 komentarz Add your own

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Trackback this post  |  Subscribe to the comments via RSS Feed


Archiwum

Tańcząc z Życiem - blog Ryszarda Skarbka w katalogu Gwiazdor
Katalog stron na MCportal.pl
Rozwój Osobisty

Blog Stats

  • 667,711 hits

%d blogerów lubi to: