Новые методы 3D-моделирования показывают, что размер акулы подчиняется «закону масштабирования двух третей», что помогает изменить представление о биологии.
Закон относится к соотношению между площадью поверхности организма и его объёмом (или массой). Это геометрическая формула, которая гласит, что площадь поверхности организма увеличивается с объёмом в степени ⅔ (или 0,67).
Это не просто интересное числовое или геометрическое соотношение, оно напрямую связано с метаболизмом организма. Предыдущие исследования закона масштабирования в организмах были сосредоточены на отдельных клетках или тканях, согласно авторам нового исследования, опубликованного в журнале Royal Society Open Science.
«Этот закон помогает объяснить, как животные обмениваются теплом, энергией и кислородом с окружающей средой, — так что подтверждение его для полноразмерных животных, а не только для клеток, — это большое дело», — говорит ведущий автор Джоэл Грейфорд, аспирант Австралийского университета Джеймса Кука (JCU).
«Мы обнаружили, что акулы почти идеально подчиняются так называемому „закону масштабирования двух третей“», — отмечает он.
Исследования XIX и начала XX века
Исследования XIX и начала XX века показали, что масштабирование двух третей ожидается на основе того, как энергия рассеивается с площади поверхности организма. Это впервые было показано на примере дыхания собак немецким физиологом Максом Рубнером в 1883 году. Его теория была развита в книге «Скорость жизни», опубликованной в 1928 году.
Эта «шкала скорости жизни» связана с наблюдениями, подобными более короткой и быстрой жизни мелких животных по сравнению с крупными.
Теория в значительной степени принята, но точный коэффициент масштабирования был предметом дискуссий. Швейцарский биолог Макс Кляйбер обнаружил, что скорость метаболизма можно предсказать, взяв массу организма в степени ¾.
Методика исследования
Грейфорд и его коллеги проверили соотношение, смоделировав формы тела 54 видов акул с помощью трёхмерных сканов высокого разрешения, созданных с помощью художника по компьютерной графике из Нью-Йорка Джонсона Мартина.
«Это соотношение фундаментально, — говорит соавтор Джоди Раммер, также из JCU. — Оно лежит в основе того, как животные дышат, регулируют температуру и перерабатывают отходы. И теперь, впервые, мы показали, что оно справедливо для таких сложных и разнообразных животных, как акулы».
Команда использовала статистическую модель для рассмотрения эволюционных взаимоотношений между видами акул и соотнесла их с формой и размером животных.
Они обнаружили, что площадь поверхности акулы пропорциональна объёму в степени 0,64, что всего на 3% отличается от теоретического прогноза в 0,67.
«Это поразительно, — говорит Раммер. — Это говорит о том, что акулы эволюционировали, чтобы придерживаться этого соотношения, возможно, потому, что отклонение от него слишком затратно или ограничено ранним развитием».
Понимание этих эволюционных и развивающих ограничений может объяснить, почему акулы, живущие совершенно по-разному и в разных средах, подчиняются одному и тому же правилу масштабирования.
«Изменение способа распределения тканей по телу может потребовать серьёзных изменений на ранних этапах эмбрионального развития — а это дорого обходится с точки зрения энергии», — объясняет Грейфорд.
Выводы
Результаты исследования могут быть использованы для ответа на вопросы об энергии и продолжительности жизни у других животных.
«Отношения площади поверхности к объёму являются ключевыми входными данными в уравнениях, используемых для моделирования того, как животные реагируют на изменение климата, например, как быстро они регулируют температуру тела или насколько эффективно они используют кислород», — говорит Грейфорд. «Теперь мы можем использовать эти уравнения с гораздо большей уверенностью для акул и других крупных животных».