Ограничение в размерах у животных с развитой кровеносной системой

Если при сохранении формы размеры животного увеличиваются в два раза, то отношение площади к объему уменьшается в два раза

(еслиL х2, то S /V:2),

т.е. при увеличении размеров объем растет быстрее, чем площадь. Возникает противоречие: обмен веществ со средой (в том числе обеспечение пищей и кислородом) зависит от площади диффузии. Как сказал Дж. Холдейн: «Сравнительная анатомия – это история борьбы за увеличение поверхности по отношению к объему».

Как можно увеличить площадь при росте? Возможны разные стратегии:

· Уплощение формы. Стать широким и плоским означает увеличить площадь контакта со средой и сократить путь от поверхности тела в его глубину для кислорода и питательных веществ. По такому пути пошли плоские черви (например, широкий лентец при длине до 12-20 м имеет толщину тела несколько мм).

· Тело в виде полой трубки (кислород и питательные вещества попадают в тело не только с поверхности, но и изнутри, через внутреннюю полость, следовательно, увеличивается площадь контакта со средой). Этот вариант демонстрируют кишечнополостные.

Однако значительное увеличение размеров стало возможным лишь когда появились

· Инвагинации, разветвления транспортных (кровеносной, лимфатической) и обменных (пищеварительной, выделительной, дыхательной) систем органов. Оформление разветвляющихся систем внутренних органов – самый эффективный способ увеличения размеров тела.

Таким образом, если животное не имеет оформленных систем, оно может увеличиваться в размерах, становясь либо плоским, либо трубчатым. Если же такие системы у него есть, то его размеры ограничиваются законами гидравлики в случае обмена веществ в жидкой среде (кровь) и законами диффузии, если обмен веществ происходит в газообразной среде (воздух в дыхательной системе).

Ограничение в размерах у животных с развитой кровеносной системой.

Ведущий фактор – диаметр кровеносных сосудов. Известно, что наиболее эффективно транспорт жидкости осуществляется через трубки большего диаметра. Это следует из одного из законов гидравлики – закона Пуазейля. Одна из его формулировок (неполная): при уменьшении диаметра сосуда в n раз сопротивление току жидкости возрастает пропорционально n⁴. Например, при уменьшении диаметра сосуда в два раза, сопротивление току жидкости возрастет в 16 раз.

Возникает противоречие: законы диффузии требуют увеличения площади путем разветвления сосудов, т.е. уменьшения их диаметра, а законы гидравлики ­ требуют увеличения их диаметра. Компромиссное решение – развитие кровообращения с иерархией кровеносных сосудов. Эта иерархия возникает еще в эмбриогенезе (у цыпленка на третьи сутки). Крупные сосуды осуществляют транспорт (там кровь течет с большой скоростью), мелкие –диффузию (здесь кровь задерживается дольше, успешно осуществляется газообмен). Разница в скорости кровотока очень велика: например, у собак кровь в аорте или полой вене течет в 100 раз быстрее, чем в капиллярах.

Разветвление кровеносных сосудов определяется также законом Муррея: если жидкость из трубки большего диаметра попадает под давлением в трубку меньшего диаметра, то ее скорость резко возрастает (вспомните, как ведет себя садовый шланг, если дать большой напор воды). Это чревато разрывом мелких сосудов в месте перехода. Решение проблемы: крупный сосуд должен распадаться на мелкие так, чтобы суммарная площадь поперечного сечения этих мелких сосудов была больше площади крупного сосуда.