К. Шмидт-Ниельсен - Размеры животные почему они так важны (1035534), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Связь этого процесса с размерами тела представляет собой иомплекс сложных проблем. 192 Глава 14 Бег в гору и перенос грузов До сих пор мы рассматривали бег животных по горизонтали. Бег в гору требует совершения дополнительной работы. Тело,. движущееся в гору, накапливает потенциальную энергию, которая равна произведению его веса на перемещение по вертикали.
Следовательно, можно ожидать, что работа по перемещению одной единицы веса тела на единицу расстояния по вертикали должна быть однакозой для всех животных независимо от их размеров. Будем рассуждать следующим образом. Вертикальный подьем 1 кг веса на 1 м увеличивает потенциальную энергию тела на 1 кГм (что эквивалентно 9,8 Дж, или 2,34 кал, и соответствует поглощению 0,49 мл Оа). Мы предполагаем, что мышцы мелких и крупных животных работают с одинаковой максимальной эффективностью, скажем 255.
Следовательно, для вертикального перемещения 1 кг веса тела на 1 м животному независимо от размера его тела необходимо в четыре раза больше кислорода, чем указано выше, т. е. 2 мл Оа. Это ожидаемое сходство метаболической цены перемещения по вертикали было вполне убедительно подтверждено многими исследователями на млекопитающих разного размера — от мыши до лошади. Некоторые данные по вертикальному перемещению собраны в обзоре Коэна и др. (Совдеп е1 а!., 1978). В ряде работ приведенные величины прироста были близки к 1,36 мл Оа на 1 кг веса и на 1 м перемещения по вертикали без четкой корреляции с размерами.
(Тот факт, что эта картина будто бы свидетельствует о более высокой эффективности, чем ожидалось, не следует воспринимать слишком серьезно, поскольку измеряли увеличение цены локомоции, а вертикальный компонент не обязательно просто суммируется с горизонтальным,) Данные о том, что цена вертикального перемещения не зависит от размеров тела, имеют интересное следствие: мелкому животному должно быть значительно легче бежать в гору, чем крупному. Почему? Ответ на этот вопрос прост. Удельная интенсивность метаболизма покоя у мыши примерно в 15 раз выше, чем у 1000-килограммовой лошади.
Поскольку для обоих животных вертикальный компонент перемещения 1 кг веса тела в гору одинаков, увеличение интенсивности метаболизма, связанное с вертикальным компонентом, по отношению к интенсивности метаболизма покоя составит у мыши лишь '/~в этой величины для лошади. Тэйлор и др. (Тау!ог е1 а!., !972) подвергли этот необычный вывод экспериментальной проверке. Мышей тренировали в тредбане с уклоном 15', что представляет собой довольно крутую агору». Достоверных различий в потреблении иислорода 19Э Перемешенве по земле: бег и прыжка с з к 1,2 сз О з.
с к и 1,1 з х с с. а 1,О 1,1 1Д 1,3 Масса жквсзкагс 1 с грузамУбез груза) . кг/кг Рис. 14.4. Влвявве переноски груза на энергетическую цену бега. На осях отложены отношения между измеряемымв переменвммн для случая с грузом н без него. Каждая точка соответствует средней из измерений, сделанных при одной скорости бега. Вертикальные лизин соответствуют двойной зелнчине стандартной ошибки (~2) для отношения зелвчии потребления кислорода при переноске груза к атому потреблению без груза при той же скорости. Линия регрессии (наклон 1,0) соответствует одинаковым величинам отношений на обевх осях.
(Из Тау!ог е1 а1в 1980.) при беге в «гору», по ровной поверхности или под «гору» у этих мышей не наблюдалось. У шимпанзе (вес тела 17 кг) при движении в гору потребление кислорода увеличивалось почти вдвое по сравнению с перемещением по горизонтали. У лошадей увеличение потребления кислорода при движении в гору в сравнении с движением по горизонтали в несколько раз превышает потребление в состоянии покоя (точная величина прироста зависит от скорости).
Тэйлор пришел к выводу, что движение по вертикали со скоростью 2 кмгч требует от мыши 23гУе-ного увеличения потребления кислорода, что выявить очень трудно. У шимпанзе прирост этого показателя составляет 189о)з (т. е. почти в два раза), а у лошади 630о72 — тяжелая работа. Этим объясняется легкость,.
с которой белка бегает вверх и вниз по стволу дерева без видимых усилий. Для животных таких размеров нет больших. различий в движении вверх или вниз. !94 Глава 14 Близок к этому вопрос о цене переноса дополнительного груза. Тэйлор и др. (Тау(ог е1 а1., 1980) измерили энергетическую цену переноса груза у крыс, собак, людей и лошадей (груз составлял от 7 до 27$> массы тела). В этих опытах потребление кислорода животными увеличивалось прямо пропорционально величине дополнительного груза. Например, если груз составлял 10'Уэ массы тела, то потребление кислорода возрастало на 104!а и т. д., как это показано на рис. 14.4.
Прямая пропорциональность между увеличением потребления кислорода и величиной дополнительного груза имеет важное следствие. Поскольку у мелких животных цена локомоции выше, чем у крупных, мелкие животные тратят относительно больше энергии при переносе данного груза на данное расстояние. Перенос груза вызывает увеличение потребления кислорода на одинаковую долю как у мелких, так и у крупных животных, но в абсолютном выражении цена оказывается относительно выше у мелких животных. Масштабы и прыжки Анализ перемещения животного по вертикали будет неполным, если мы не рассмотрим прыжки.
Остановимся на двух интересных вопросах. Один касается влияния размеров тела на высоту прыжка животного, а другой — необходимости изменения конструкции при уменьшении размеров тела. Блоха длиной менее 2 мм может прыгнуть на высоту, в 100 раз превышающую длину ее тела. Даже самый лучший спортсмен не может прыгнуть намного выше высотысобственного роста. Однако если мы рассмотрим несколько простых масштабных правил, то кажущиеся невысокими показатели спортсмена окажутся не ниже, чем у блохи. В качестве простого примера рассмотрим двух изометрических животных, у которых все линейные размеры увеличиваются в одной и той же пропорции.
Как такое увеличение скажется на высоте, которую более крупное животное может преодолеть в прыжке? Ответ таков: независимо от размеров тела мелкие и крупные животные должны быть способны прыгать на одинаковую высоту. Сделаем вполне реалистическое допущение, что мышцы, участвующие в прыжках, составляют одинаковую долю массы тела у обоих животных. Сила мышцы пропорциональна площади ее поперечного сечения, а укорочение пропорционально ее исходной длине. Умножая площадь поперечного сечения на длину мышцы, получаем ее объем, а энергетический выход одиночного сокращения есть произведение силы на расстояние.
Следовательно, развиваемая энергия пропорциональна массе мышц и в свою очередь массе тела. 195 Перемен(евие по земле: бег в прыжки Жук-щелкун (Д(аоп ) Блоха ( Рл(ех1 Саранса (зсыыосехса) Человек (Иожо)~) 54асса тела Высота прыжка Расстояияе ускорения Скорость при отрыве Время отрыва Ускореииез) 0,49 мг 20 см 0,075 см 190 см/с 0,00079 с 245 л 70 кг 60 см 49 см 343 см/с 0,233 с 1,5 и 40 мг 30 см 0,077 см 240 см/с 0,00064 с 382 и Зг 59 см 4 см 340 см/с 0,00235 с 15 л ') Оценки основакы па следующих показателях: расположение центра масс над землей в навале прыжка 60 см; ускорение прн отрыве нв участке 40 см (от 60 до 100 см); высота прыжка 160 см.
Мировой рекорд для прыжке с места составляет 166 см. *) И вЂ” уснореиме своаохлосо падения. Блоха на самом деле прыгала бы выше, если бы не мешало сопротивление воздуха. Из-за малых размеров этого животного (высокое отношение поверхности тела к его объему) сопротивление воздуха влияет на него очень сильно, и если бы тоже количество энергии было сообщено блохе в вакууме, ее прыжок был бы вдвое выше. Для мелких животных сопротивление воздуха очень существенно.
Придание блохе обтекаемой формы не повлияет на При прыжке животное осуществляет одиночное сокращение соответствующих мышц, и энергия, необходимая для толчка ч создания ускорения, находится, следовательно, в таком же отношении к массе тела. Одно и то же количество энергии на единицу массы может поднимать тело на одну н ту же высоту н не выше. На основе этого можно сделать вывод, что геометрически подобные животные разной массы должны прыгать на одинаковую высоту при условии, что их мышцы сокращаются с одинаковой силой. Когда дело доходит до реальных животных, то ситуация оказывается близкой к теоретической.
Высота прыжков, зарегистрированная у четырех очень разнцх животных, приведена в табл. 14.2. Мы рассматриваем только прыжки с места, поскольку при прыжках с разбега высота прыжка увеличивается за счет кинетической энергии бега. Человек в прыжке с места может взять высоту 1,6 м. Однако его центр тяжести при этом поднимается на меньшую высоту, поскольку в момент прыжка он расположен не иа уровне земли, а примерно иа высоте 1 м. Следовательно, высота прыжка с места для человека составляет только 60 см. Массы тела животных в табл. !4,2 различаются более чем в 100 миллионов раз, но тем не менее высоты их прыжков различаются не более чем в три раза. Таблица 14.2.
Прыжки у четырех видов животных, различаюшдхся по размерам тела более чем в 100 миллиоиов раз Глава 14 сопротивление воздуха нз-за пограничного слоя, прилежащего к телу, который увлекается вместе с телом. Однако сопротивление воздуха меняется со скоростью, а следовательно, и с высотой прыжка (поскольку при более высоком прыжке начальная скорость выше). По этой причине невозможно установить только роль сопротивления воздуха, однако в опытах, в которых насекомых подбрасывали вертикально с помощью пружинного устройства (Веппе(-С1аг(с, А1бег, 1979), было получено много интересных данных. Отношение между достигнутой высотой в воздухе и высотой, которую можно достичь в вакууме в отсутствие сопротивления воздуха, можно назвать эффективностью прыжка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
