Ученые разгадали биологическую загадку закона Клайбера

Закон Клайбера - биохимическое правило, связывающее скорость основного обмена и массу организма

Почему сердце мыши в течение жизни делает приблизительно такое же количество ударов, как и сердце слона, хотя мышь живет около года, а слон – примерно 70 лет? Почему небольшие растения и животные созревают быстрее, чем их более крупные собратья? Почему цветущее дерево от природы получило красивую гибкую форму, а тигр – устрашающую симметричность тела? Такие вопросы волновали ученых с древнейших времен.

Группа исследователей из Мэрилендского университета (США) и Падуанского университета (Италия) предложила свои ответы. За основу была взята известная математическая формула, которая хоть и не была до конца осмыслена, но принималась на веру многими поколениями. В опубликованном 17 февраля 2014 года издании Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи описали свое переосмысленное понимание биологической формулы, известной как закон Клайбера. Рассматривая ее как взаимозависимость эволюционных факторов, которым придали математический вид, ученые предположили, что совершенно разные структуры животных и растений развивались параллельно, при этом каждая из них являлась идеальной в плане эффективности использования энергии, сообщается в phys.org.

Формула Клайбера

Несмотря на то, что все изучали биологию в школе, мало кто может вспомнить закон Клайбера (метаболический закон 3/4). Согласно формуле Клайбера, с увеличением размеров живых существ скорость метаболических реакций и длительность их жизни возрастают в определенной зависимости. Под закон, прозванный в честь швейцарского биолога Макса Клайбера, который сформулировал его в 1930-х годах, попадают всевозможные проводимые исследователями наблюдения за живыми организмами – от расчета количества потребляемой энергии животными до количества детенышей, которые у них рождаются. При помощи этого закона, например, исходя из проведенных предварительно тестов на мышах, может быть рассчитана доза медикаментов, необходимых человеку.

Как может закон Клайбера быть универсальным для всех происходящих процессов у растений и животных? Поколения ученых безуспешно пытались найти этому простое и убедительное объяснение. В своей работе исследователи предположили, что развитие строения растений и животных подчиняется одинаковым математическим и физическим принципам.

По словам ботаника Тодда Кука, в самом начале растения и животные имели хоть и простое, но совершенно разное строение, но благодаря естественному отбору выделились две формы развития – для растений и животных. При этом они демонстрируют одинаковую эффективность потребления энергии, что и показывает закон Клайбера.

Закон, которому подчиняются дерево и тигр

Исследователи сравнили особенности строения двух организмов – дерева и тигра. В эволюционном отношении перед деревом стоят более простые задачи – преобразование солнечного света в энергию и ее распределение. Для того, чтобы эта задача выполнялась самым эффективным образом, деревья получили разветвленную структуру и листья.

По словам физика Джайанта Банавара, площадь поверхности дерева и занимаемое им пространство приблизительно одинаковы. Скорость перемещения питательных веществ не зависит от размера дерева.

Команда подсчитала соотношение массы различных пород деревьев к скорости протекания метаболических реакций, и выяснилось, что обнаруженная связь соответствует закону Клайбера.

При переработке пищи, которую получает животное, происходит выделение тепла, от избыточного количества которого должно избавляться животное. Однако поскольку площадь поверхности тела пропорционально меньше его массы, простое охлаждение поверхности не будет эффективным.

Чем крупнее животное, тем меньше должна быть скорость метаболических реакций по отношению к его массе. Если бы единственным фактором, который бы влиял на охлаждение организма, была площадь, то размеры животного увеличивались бы вместе со скоростью протекания метаболических реакций, а отношение скорости обмена к массе составило бы 2/3, а не 3/4.

Очевидно, что в этой формуле не хватает определенного фактора, который и пытались найти многие ученые. Некоторые из них предполагали, что этим фактором является площадь поверхности внутренних органов, другие же – степень разветвленности кровеносных сосудов, опираясь на схожесть со структурой деревьев.

Но команда исследователей выяснила, что этими факторами являются скорость, с которой питательные вещества перемещаются по телу животного, и скорость охлаждения организма. Рассчитав скорость, с которой сердца животных перекачивали кровь, команда пришла к выводу, что скорость кровотока равна массе тела в степени 1/12.

Поэтому, как заявил гидролог Андреа Ринальдо из Падуанского университета, из этой ранее упущенной информации следует, что для поддержания максимальной эффективности использования энергии животным нужен насос – сердце, в котором, кстати, не нуждаются растения.