Растения и животные одинаково решают энергетические проблемы

Автор: Кирилл Стасевич 
 Несмотря на всю разницу в собственном устройстве, тела растений и животных подчиняются одной и той же формуле, которая позволяет оптимизировать соотношение массы тела и его энергоснабжения.

Между размером тела и обменом веществ у живых организмов есть определённая зависимость, заключённая в формуле Клайбера: при увеличении размеров тела повышается и интенсивность обмена веществ. Эта математическая закономерность оказалась на редкость универсальной, она работала у самых разных животных, с её помощью можно было предсказать самые разные вещи, от энергетических расходов до числа детёнышей, произведённых за всю жизнь. Формула нашла применение и в медицине: если какое-то средство испытывали на мышах, то по ней можно было определить количество препарата, которое следовало бы дать человеку.

Однако формула оставалась эмпирической, и биологи всё время пытались подобрать ей объяснение, желательно в меру простое; такие попытки не прекращаются и по сей день (а формула появилась в 1930-е). Необычный подход в этом деле продемонстрировали исследователи из Мэрилендского университета (США), связавшие формулу Клайбера со строением тела животных и растений.

Для начала Тодд Кук (Todd Cooke) и Ко присмотрелись к деревьям: оказалось, что для них соотношение между массой и метаболизмом описывается всё той же формулой. Дерево может быть большим или маленьким, но питательные вещества будут идти по нему с постоянной скоростью, не зависящей от размера. Это кажется вполне логичным, ведь с увеличением размера у дерева увеличится и поверхность для фотосинтеза: станет больше листьев. И закономерность эта выполняется для разных видов деревьев.

С другой стороны, та же самая задача стоит и перед животными: чтобы питать тело, они должны постоянно поглощать энергию, и чем больше тело, тем больше нужно энергии. Но при сжигании питательного топлива образуется тепло, и с его избытком нужно что-то делать. Очевидный выход — рассеять теплоту через поверхность тела, однако если взять, к примеру, тигра, то у него поверхность тела не обеспечит достаточного теплоотвода, ибо животное весьма тяжело. Получается, что тигру нужно как-то сбавить метаболические обороты, и отсюда как раз и получается закон Клайбера. Обмен веществ не может расти прямо пропорционально массе из-за соотношения между объёмом и массой тела, с одной стороны, и площадью поверхности — с другой.

То есть, по мнению авторов работы, формула Клайбера базируется на двух параметрах — скорости переноса питательных веществ внутри тела и скорости отвода тепла.

Растения обеспечивают должный поток питательных веществ, увеличивая фотосинтетическую поверхность. Животные получают энергию иначе, и поверхность тела с его объёмом у них связана иначе, чем у растений. Питательные вещества у животных разносятся кровью, а кровь перекачивается сердцем. И тогда можно вывести похожую формулу для зависимости между массой тела и скоростью кровотока: по словам исследователей, скорость кровотока пропорциональна массе тела в соотношении 1/12.

Хотя животные и растения резко разнятся по устройству, в том числе по устройству метаболизма, и тем и другим пришлось решать одну и ту же физическую и физиологическую проблему: как с наибольшей эффективностью обеспечить собственное тело энергией. И хотя в итоге растения и животные стали выглядеть по-разному, устройство их тел, по сути, подчинено одной и той же закономерности, выраженной в формуле Клайбера.

Результаты исследования будут опубликованы в журнале PNAS.

Подготовлено по материалам Мэрилендского университета. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.