- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Самый большой — не самый быстрый

Наталья Резник

Ната­лья Рез­ник

Вся­кий зна­ет, что самый быст­рый зверь на зем­ле — это гепард. Слож­нее отве­тить на вопрос, поче­му так. Мак­си­маль­ная ско­рость дви­же­ния воз­рас­та­ет с уве­ли­че­ни­ем мас­сы тела, поэто­му более круп­ные живот­ные тео­ре­ти­че­ски долж­ны дви­гать­ся быст­рее. Одна­ко гепард уве­рен­но обго­ня­ет сло­на, а рыба-парус­ник (мар­лин) — круп­но­го кита. Такая же зако­но­мер­ность наблю­да­ет­ся и в воз­ду­хе: пти­цы сред­них раз­ме­ров — самые быст­рые.

Это про­ти­во­ре­чие пыта­лись объ­яс­нить мно­гие иссле­до­ва­те­ли. Неко­то­рые пола­га­ют, что ско­рость бега круп­ных мле­ко­пи­та­ю­щих огра­ни­че­на нагруз­кой, кото­рую могут выдер­жать их кости и мыш­цы при уда­рах о зем­лю. Одна­ко гипо­те­зу, кото­рая под­хо­ди­ла бы для пред­ста­ви­те­лей всех так­со­но­ми­че­ских групп, до сих пор никто не пред­ла­гал.

Теперь на выдви­же­ние подоб­ной гипо­те­зы пре­тен­ду­ют спе­ци­а­ли­сты из Гер­ма­нии, Бри­та­нии и США под руко­вод­ством Уль­ри­ха Бро­за (Ulrich Brose), про­фес­со­ра Уни­вер­си­те­та Фри­дри­ха Шил­ле­ра и Гер­ман­ско­го цен­тра инте­гра­тив­ных иссле­до­ва­ний в обла­сти био­раз­но­об­ра­зия. Уче­ные пред­по­ло­жи­ли, что ско­рость живот­ных огра­ни­че­на не био­ме­ха­ни­че­ски­ми про­бле­ма­ми, а коли­че­ством доступ­ной энер­гии [1].

Рыба-парусник

Рыба-парус­ник

Раз­го­ня­ясь до мак­си­маль­ной ско­ро­сти, живот­ные исполь­зу­ют быст­рые мышеч­ные волок­на. Они отли­ча­ют­ся боль­шой силой, быст­ро сокра­ща­ют­ся, но и быст­ро уста­ют, пото­му что в каче­стве источ­ни­ка энер­гии исполь­зу­ют запа­сен­ный в клет­ках АТФ. Эти запа­сы мож­но быст­ро извлечь, но когда они исто­ща­ют­ся, волок­на не могут рабо­тать. Им на сме­ну при­хо­дят мед­лен­ные мыш­цы, бога­тые мио­гло­би­ном. Они исполь­зу­ют АТФ, полу­ча­е­мый в про­цес­се кис­ло­род­но­го дыха­ния, поэто­му рабо­та­ют доль­ше, но мед­лен­нее. С их помо­щью живот­ное под­дер­жи­ва­ет ско­рость, до кото­рой разо­гна­лось.

Итак, быст­рые волок­на могут рабо­тать очень недол­го. Когда исте­ка­ет кри­ти­че­ское вре­мя, за кото­рое исся­ка­ют запа­сы доступ­ной энер­гии, живот­ное дости­га­ет реаль­ной мак­си­маль­ной ско­ро­сти, кото­рая может отли­чать­ся от тео­ре­ти­че­ской.

Уче­ные созда­ли модель, кото­рая учи­ты­ва­ет мас­су мышц и все­го тела; вре­мя, необ­хо­ди­мое для дости­же­ния мак­си­маль­ной ско­ро­сти; и налич­ные запа­сы энер­гии (см. рис. 1). Чем боль­ше мышеч­ная мас­са, тем боль­ше запа­сы АТФ и вре­мя, необ­хо­ди­мое для уско­ре­ния. Соглас­но моде­ли, более круп­ные живот­ные за вре­мя раз­го­на могут израс­хо­до­вать весь АТФ и уста­нут, так и не достиг­нув тео­ре­ти­че­ски воз­мож­но­го пре­де­ла ско­ро­сти.

Рис. 1. Максимальная скорость, развиваемая животными, зависит от массы и времени, необходимого для разгона: а) животные ускоряются, стараясь достигнуть теоретически максимальной скорости;  b) время, необходимое для разгона, увеличивается с ростом массы тела;  с) если время, необходимое для разгона, больше критического, максимальная скорость недостижима;  d) зависимость максимальной реальной скорости от массы тела (Hirt et al., 2017)

Рис. 1. Мак­си­маль­ная ско­рость, раз­ви­ва­е­мая живот­ны­ми, зави­сит от мас­сы и вре­ме­ни, необ­хо­ди­мо­го для раз­го­на:
а) живот­ные уско­ря­ют­ся, ста­ра­ясь достиг­нуть тео­ре­ти­че­ски мак­си­маль­ной ско­ро­сти;
b) вре­мя, необ­хо­ди­мое для раз­го­на, уве­ли­чи­ва­ет­ся с ростом мас­сы тела;
с) если вре­мя, необ­хо­ди­мое для раз­го­на, боль­ше кри­ти­че­ско­го, мак­си­маль­ная ско­рость недо­сти­жи­ма;
d) зави­си­мость мак­си­маль­ной реаль­ной ско­ро­сти от мас­сы тела (Hirt et al., 2017)

Иссле­до­ва­те­ли про­ве­ри­ли свою модель на 474 видах бега­ю­щих, лета­ю­щих и пла­ва­ю­щих живот­ных. В этот спи­сок вошли не толь­ко мле­ко­пи­та­ю­щие, рыбы и пти­цы, но и реп­ти­лии, мол­люс­ки и чле­ни­сто­но­гие — от кле­ща, веся­ще­го 30 мкг, до голу­бо­го кита мас­сой 108 400 кг.

Кри­вая зави­си­мо­сти мак­си­маль­ной ско­ро­сти от мас­сы име­ет фор­му гор­ба. Сна­ча­ла ско­рость рас­тет, но когда вес живот­но­го пре­вы­ша­ет опре­де­лен­ный порог, начи­на­ет сни­жать­ся. На вер­шине это­го хол­ма ока­зы­ва­ют­ся бегу­ны сред­них раз­ме­ров — при­знан­ные чем­пи­о­ны. Модель пре­крас­но подо­шла для бега­ю­щих и лета­ю­щих живот­ных, толь­ко лета­ю­щие дви­жут­ся при­мер­но в шесть раз быст­рее назем­ных.

Для пла­ва­ю­щих закон выпол­ня­ет­ся не так жест­ко. Свя­за­но это с тем, что вода в 800 раз плот­нее воз­ду­ха и в 60 раз более вяз­кая, поэто­му в воде круп­но­му живот­но­му суще­ствен­но лег­че разо­гнать­ся, чем мел­ко­му. Поэто­му мел­кие вод­ные суще­ства дви­жут­ся мед­лен­нее, чем назем­ные такой же мас­сы, а круп­ные — при­мер­но с той же ско­ро­стью, что и их сухо­пут­ные собра­тья ана­ло­гич­но­го веса. Посколь­ку мно­гие физио­ло­ги­че­ские про­цес­сы, такие как мета­бо­лизм, рост и пита­ние, зави­сят от тем­пе­ра­ту­ры тела, на мак­си­маль­ную ско­рость вли­я­ет и спо­соб тер­мо­ре­гу­ля­ции. Пой­ки­ло­терм­ные (теп­ло­кров­ные) лета­ю­щие и бега­ю­щие живот­ные, кото­рые под­дер­жи­ва­ют посто­ян­ную тем­пе­ра­ту­ру, дви­жут­ся быст­рее, чем экто­терм­ные (холод­но­кров­ные). У пла­ва­ю­щих обрат­ный эффект: мле­ко­пи­та­ю­щие и пинг­ви­ны суще­ствен­но отста­ют от рыб. Воз­мож­но, дело в том, что у вод­ных живот­ных слиш­ком вели­ки энер­ге­ти­че­ские затра­ты на под­дер­жа­ние посто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ры тела.

Модель поз­во­ля­ет не толь­ко отве­тить на вопрос, поче­му самый боль­шой не самый быст­рый, но и рас­счи­тать мак­си­маль­ную ско­рость бега вымер­ших живот­ных. Напри­мер, Patagornis — хищ­ная пти­ца, жив­шая в мио­цене на тер­ри­то­рии совре­мен­ной Арген­ти­ны, — бега­ла со ско­ро­стью око­ло 62 км/​ч, при­мер­но как совре­мен­ный афри­кан­ский стра­ус.

Велоцираптор

Вело­ци­рап­тор

А люби­мый все­ми тиран­но­завр, весив­ший око­ло шести тонн, мог разо­гнать­ся до 27 км/​ч. Юркие два­дца­ти­ки­ло­грам­мо­вые вело­ци­рап­то­ры обо­гна­ли бы его пря­мо на стар­те, пото­му что бега­ли вдвое быст­рее (55 км/​ч). Эти резуль­та­ты соот­вет­ству­ют сло­жив­шим­ся пред­став­ле­ни­ям о том, что тиран­но­завр был доволь­но мед­ли­тель­ным живот­ным. А чет­ве­ро­но­гий бра­хио­завр, весив­ший более 78 тонн, дви­гал­ся еще неспеш­нее: его пре­дел — 12 км/​ч.

Иссле­до­ва­те­ли про­дол­жат раз­ра­бот­ку сво­ей моде­ли. Она поз­во­ля­ет про­сле­дить направ­ле­ние эво­лю­ции неко­то­рых видов. Так, если живот­ное бега­ет быст­рее, чем мож­но было ожи­дать, то это может сви­де­тель­ство­вать о дав­ле­нии отбо­ра, воз­ни­ка­ю­ще­го в резуль­та­те сов­мест­ной эво­лю­ции хищ­ни­ка и жерт­вы.

А еще было бы инте­рес­но рас­счи­тать, как ско­рость дви­же­ния живот­ных вли­я­ет на сезон­ные мигра­ции или рас­се­ле­ние на новых тер­ри­то­ри­ях. Есте­ствен­но, эта ско­рость суще­ствен­но мень­ше мак­си­маль­ной. Одна­ко от мак­си­маль­ной ско­ро­сти может зави­сеть как сред­ний раз­мер участ­ка, при­хо­дя­ще­го­ся на одну особь (и, ста­ло быть, ско­рость рас­се­ле­ния), так и рас­сто­я­ние, на кото­рое она пере­ме­ща­ет­ся при мигра­ции. Тем самым учет полу­чен­ных дан­ных помо­жет соста­вить более пол­ную кар­ти­ну вли­я­ния пере­ме­ще­ний живот­ных на эко­си­сте­му.

Ната­лья Рез­ник
Изоб­ра­же­ния из «Вики­пе­дии»

1. Hirt M. R., Jetz, W., Rall, B. C., Brose U. A general scaling law reveals why the largest animals are not the fastest /​/​ Nat. Ecol. Evol. 2017. 1. 1116–1122. doi:10.1038/s41559-017‑0241-4

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи