ЗАРИСОВКИ к 7-му АРКАНУ ТАРО

255. БИБЛИОТЕКА. СТАТЬИ.

НАУКА    БИОЛОГИЯ ЭВОЛЮЦИЯ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Алла Астахова, Елена Демыгина

Ж. «ИТОГИ» № 51/2008

Ученые посчитали, сколько энергии должны потреблять и расходовать живые существа, чтобы не исчезнуть с лица Земли

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИВЕЛИ УЧЕНЫХ К ИНТЕРЕСНОМУ ВЫВОДУ: НЕСМОТРЯ НА ВНЕШНИЕ РАЗЛИЧИЯ, СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ У ЖИВЫХ СУЩЕСТВ ВАРЬИРУЕТСЯ В УЗКОМ ДИАПАЗОНЕ

Почему одни виды животных и растений выжили в ходе эволюции, а другим природа не оставила такого шанса? Жизнь — это процесс, основанный на непрерывном получении энергии из окружающей среды, утверждают учёные. Все формы живых существ черпают её из разных источников. Деревья используют солнечный свет и фотосинтез, а бактерии и животные потребляют растения либо другие формы жизни. Разрабатывая теорию биотической регуляции окружающей среды, учёные из Петербургского института ядерной физики РАН и биологического факультета МГУ совместно с коллегами из США и ЮАР решили проверить, сколько энергии должно в среднем потреблять и расходовать живое существо, чтобы выжить на нашей планете. Исследователи сравнили этот показатель у более чем трёх тысяч животных, растений и микроорганизмов, населяющих Землю. И, похоже, нашли «рецепт», который, увеличивает шансы вида на выживание.

Метаболический оптимум

«Наша идея состояла в том, что обмен веществ связан с потреблением кислорода и разложением органики, при котором высвобождается энергия, — говорит старший научный сотрудник отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН Анастасия Макарьева. - Эту энергию организм использует для поддержания своих жизненных функций». Трудоёмкая работа заняла много времени: у различных видов животных расход энергии определяли по-разному. У млекопитающих и птиц, например, исследователи изучали обмен веществ в состоянии покоя и при оптимальных температурных условиях. «Животных помещали в специальные камеры, соединенные с газоанализаторами, устанавливавшими потребление кислорода и выделение углекислого газа», - рассказывает один из участников проекта, ведущий научный сотрудник кафедры зоологии позвоночных биологического факультета МГУ Валерий Гаврилов. А вот у водных организмов все данные снимали в движении, ведь зафиксировать их на одном месте попросту невозможно. У микробов изучали расход энергии клеток в среде без питательных веществ, а у листовых растений — так называемое темновое дыхание, то есть потребление кислорода в темноте, в отсутствие фотосинтеза. Выразив результат в ваттах на килограмм, учёные получили «метаболический портрет» земной жизни. Оказалось, что разброс данных не так уж велик. Средняя скорость обмена веществ у самых разных существ находится в узком интервале от 0,3 до 9 ватт на килограмм веса - при том, что разница их размеров бывает огромной, да и масса варьируется в пределах двадцати порядков. «Проще говоря, существует метаболический оптимум: скорость обмена веществ около 4 ватт на килограмм веса, — говорит Анастасия Макарьева. — Она не так уж различается у всех существующих организмов: и у крохотных бактерий, и у огромных слонов или китов».

Вытеснение из биосферы

Почему скорость обмена веществ различается так мало? Виной всему эволюция. «Тем видам животных, которые не могли поддерживать метаболический оптимум, естественный отбор не благоприятствовал, - считает Анастасия Макарьева. - Они вымирали». Как считают учёные, именно из-за «неправильного» обмена веществ когда-то вымерли динозавры. Ведь гиганты являлись холоднокровными, а значит, скорость метаболизма была у них гораздо ниже оптимума. Они процветали на Земле ровно до тех пор, пока не появились теплокровные млекопитающие с более высокой скоростью обмена веществ. Динозавры оказались неконкурентоспособными и были вытеснены из биосферы. «Интересный факт: большинство современных холоднокровных позвоночных существуют только в водной среде - это рыбы; млекопитающие так и не смогли до конца освоить эту среду, так как не способны дышать растворённым воздухом, - говорит Анастасия Макарьева. - На материковой суше доля потребления продукции биосферы холоднокровными позвоночными (рептилиями, амфибиями) по крайней мере в десять раз ниже, чем у млекопитающих. В то же время на островах, где млекопитающих нет и конкуренция с ними отсутствует, рептилии потребляют ту же долю продукции экосистемы, что и млекопитающие на материке».

Воробьёв развелось

Впрочем, учёные заглянули не только в прошлое. Им удалось проследить, как метаболические процессы влияют на выживание современных видов. Например, они объясняют, почему вокруг нас так много воробьёв. По словам Валерия Гаврилова, очень высокий метаболизм, который составляет около 6 ватт на килограмм, даёт этим птицам огромные преимущества в борьбе за место под солнцем. Из примерно 8700 видов птиц, обитающих на Земле, 5200 относятся к отряду воробьиных. Такого больше нет среди теплокровных животных. В процессе эволюции у представителей разных живых существ наблюдалась тенденция к выработке определённого жизненного оптимума. Количество кислорода с ростом биосферы увеличивалось, и, чтобы потреблять больше кислорода, живые существа постоянно эволюционировали. Метаболический оптимум тоже рос в процессе эволюции, и на сегодняшний день он практически достиг своего потолка. Если биосфера будет расширяться, то есть кислорода станет больше, то преимущество получат прежде всего те животные, которые лучше его усваивают и при этом не увеличивают размер. Например, насекомые с трахейным дыханием, потребляющие кислорода в 50 раз больше по сравнению с человеком.

Сколько же энергии нужно человеку, чтобы жить? Согласно разным оценкам, потребляя солнечную энергию, растения экосистем Земли производят органики в энергетическом эквиваленте примерно 1 ватт на квадратный метр. Поскольку метаболизм человека укладывается в рамки жизненного оптимума - каждый из нас потребляет энергии в виде пищи приблизительно около одного ватта на килограмм, - то человек, весящий 80 килограммов, должен «съедать» 80 ватт. Так просто этот объём продовольствия не получить. Вот почему нам приходится потрудиться! И не только нам одним. «Начиная с определённого размера тела, примерно в миллиметр, организм не может удовлетворить свои потребности в энергии, сидя на месте, — говорит Анастасия Макарьева. - И это заставляет живые существа двигаться. Только бактерии потребляют не более одного ватта на квадратный метр, поэтому могут оставаться неподвижными. Но человек, как и все другие крупные животные, должен всё время передвигаться в поисках пищи».

Жизненное пространство

Как считают учёные, крупные животные, потребляя биомассу большими порциями, вносят дисбаланс в нормальное функционирование экосистемы. Поэтому сама природа позаботилась о том, чтобы с появлением в ходе эволюции крупных животных ввести жёсткие ограничения на плотность их расселения. Это достигается разными способами. Например, древесина, которая является основным запасом биомассы экосистемы, малосъедобна. Так что съесть дерево целиком не под силу даже жирафу или слону. «В рамках экосистемы каждый вид должен иметь свою строго ограниченную плотность численности, которая радикально уменьшается с ростом размера животного, - говорит Анастасия Макарьева. - Например, мышь в естественных условиях должна иметь индивидуальную территорию в сто квадратных метров, а человек — четыре квадратных километра». Кстати, это правило свято соблюдается в дикой природе, где мельчайшие организмы (бактерии, плесень) «съедают» около девяноста процентов всей продукции экосистемы. При этом на долю самых крупных животных, к которым относится и человек, приходится всего лишь около одного процента биомассы. При таком распределении потребления экосистема сохраняет устойчивость.

Не то в «окультуренной» человеком природе. Уже сегодня человечество потребляет десять процентов от всей продуктивности экосистем нашей планеты – это и пища людей, и корм для домашнего скота, и древесина. Получается, что мы уже превысили свою экологическую квоту по меньшей мере в десять раз.

А вот жилищные нормы, которые «положила» природа людям при вселении на Землю, наоборот, сейчас сильно занижены. По подсчётам учёных, вместо личного четырёхкилометрового пространства каждому человеку в среднем отведён надел из 100 квадратных метров - столько, сколько полевой мыши. «А ведь у любого животного потребность в территории заложена генетически ещё при образовании вида, - поясняет Анастасия Макарьева. - Вы не задумывались о том, что является главным наказанием для человека? Тюремное заключение, то есть лишение территории. Подобным образом можно объяснить и стремление людей путешествовать: это попытка компенсировать недостаток личной территории перемещением по чужой. С этим же можно связать стремление жителей больших городов к дачной тишине. Ведь главным признаком того, что вы не контролируете территорию, на которой находитесь, являются чужеродные, не вами производимые звуки».

Каков же вывод учёных? Расхожий тезис о том, что человечеству грозит депопуляция, скорее всего, придётся менять. Во всяком случае, если не удастся резко увеличить продукцию экосистемы. Впрочем, поживём — увидим. Эволюция покажет.

ВМЕСТО ЛИЧНОГО ПРОСТРАНСТВА ПЛОЩАДЬЮ 4 КВАДРАТНЫХ КИЛОМЕТРА СЕГОДНЯ КАЖДОМУ ЧЕЛОВЕКУ В СРЕДНЕМ ДОСТАЕТСЯ 100 КВАДРАТНЫХ МЕТРОВ