3 года назад
Нету коментариев

В основе сравнительной физиологии лежит пред­ставление о том, что все животные более или менее сходны и поэтому их можно сравнивать между собой. Это, однако, не означает, что все они одинаковы; более того, любое отклонение от общего плана строе­ния нередко имеет такое же важное значение и пред­ставляет не меньший интерес, чем черты сходства.

Трудность сравнения организмов разного размера иллюстрирует рис. 45, на котором изображен наш старый приятель Гулливер и житель Лилипутии, шагающий по булыжной мостовой. Когда Гулливер прибыл в Лилипутию, императору этой страны приш­лось срочно решать задачу: сколько потребуется пищи, чтобы накормить Человека-Гору? Как сообщает Свифт, это составило ровно 1728 лилипутских порций. Верен ли этот расчет и на какой основе можно срав­нивать млекопитающих разного размера?

Гулливер у лилипутов. Сколько ему нужно еды?

Гулливер у лилипутов. Сколько ему нужно еды?

Те, кому приходилось вскрывать скаковую лошадь или борзую, быть может, обратили внимание на непропорционально большие размеры сердца у этих животных. У всех млекопитающих, как правило, раз­меры сердца относительно общих размеров тела довольно одинаковы и вес сердца составляет при­мерно 5—6 г на 1 кг веса тела; мы настолько при­выкли к такому соотношению, что любое отклонение от него сразу заметно.

Сходство относительных размеров сердца у боль­шинства млекопитающих (немногим более 0,5% веса тела) на первый взгляд может показаться удивитель­ным: ведь известно, что у мелких животных интен­сивность метаболизма относительно гораздо выше, чем у крупных. Совершенно очевидно, что для доста­точно интенсивного снабжения тканей кислородом мало просто повысить ударный объем, который лими­тируется размерами сердца. Таким образом, главная переменная, с помощью которой осуществляется не­обходимая регуляция, это частота сердечных сокра­щений, достигающая у самых мелких млекопитающих 500—1000 ударов в минуту.

ЛСД И СЛОН

Пожалуй, самое заметное различие между млеко­питающими— это различие в размерах. Слон, веся­щий 4 тонны, в миллион раз больше землеройки, которая весит всего 4 грамма, а самое крупное из ныне живущих млекопитающих — синий кит — больше землеройки в 25 миллионов раз. Нелегко представить 25 миллионов землероек сразу, а поскольку пища, которую они съедают за день, равна по весу примерно половине их собственной массы, то прокормить их было бы довольно трудно. Стадо из 25 слонов как-то легче себе представить, хотя это была бы тоже поря­дочная масса.

Если подходить к слону только с точки зрения размеров, то можно наделать серьезных ошибок. Несколько лет назад в журнале Science была опубли­кована заметка о реакции самца слона на ЛСД. Авторы хотели изучить весьма своеобразное состоя­ние, наблюдаемое у самцов слона и известное под названием «муст» (слово санскритского происхожде­ния). Находящийся в состоянии муста самец стано­вится очень свирепым и опасным, но это не имеет отношения к периоду половой активности (и вопреки распространенному мнению состояние муста не озна­чает, что слону нужна самка). Вскоре после опубли­кования этой заметки в одном из писем к редактору Science расчет дозы ЛСД был назван «слоноподобной ошибкой» (Харвуд, 1963). Авторы при определении дозы ЛСД для слона исходили из количества препа­рата, которое приводит в ярость кошку, и, увеличив его пропорционально весу слона, сделали вывод, что ему следует ввести дозу 297 мг. Длинное описание того, чем это кончилось, можно свести к следующему: после инъекции 297 мг ЛСД (человеку этого количе­ства хватило бы на 1500 приемов, потому что его разовая доза равна примерно 0,2 мг) слон начал трубить и метаться, а затем остановился и закачался; спустя 5 минут он упал, у него начались судороги и дефекация и он умер. Авторы пришли к выводу, что слоны отличаются особой чувствительностью к ЛСД.

Я привел этот пример для того, чтобы показать, к каким трагическим последствиям может привести недооценка проблемы масштабов. Как надо рассчи­тывать дозы различных лекарственных препаратов? Конечно, если мы хотим создать одинаковую кон­центрацию какого-либо вещества в жидкостях тела мелкого и крупного животного, то дозы должны быть пропорциональны их весу. При этом если для кошки весом 2,6 кг доза ЛСД равна 0,1 мг на 1 кг веса, то путем экстраполяции мы получаем для слона до­зу 297 мг, а эта доза для него, очевидно, смертельна. Если же, как предлагает автор письма в Scienceопределять дозу на основе интенсивности метабо­лизма, то окажется, что доза для слона должна быть гораздо меньше — всего 80 мг. Это не лишено смысла, поскольку можно ожидать, что детоксикация химиче­ских веществ или их выведение из организма зависит от интенсивности метаболизма. Однако следует иметь в виду различные другие соображения или особые обстоятельства. Например, возможно, что ЛСД. на­капливается в головном мозгу; в этом случае поло­жение сильно осложняется, так как при вычислении дозы пришлось бы учитывать вес мозга.

При расчете дозы ЛСД для слона можно было бы также взять за основу данные не для кошек, облада­ющих высокой устойчивостью к этому веществу, а, например, для человека. У человека весом 70 кг 0,2 мг ЛСД вызывают резко выраженные симптомы расстройства психики. Если рассчитать дозу для сло­на пропорционально весу, то она окажется равной всего 8 мг (вместо почти 300 мг). Если же исходить из интенсивности метаболизма (13 л О2 в 1 час у человека и 210 л — у слона), то доза для слона будет равна.3 мг. Если же принять во внимание вес голов­ного мозга (1400 г у человека и 3000 г у слона), то она снизится до 0,4 мг. Приведем для сравнения дозы ЛСД для слона (в мг), рассчитанные на основе разных критериев:

веса тела слона и эффективной дозы для кошки 297

интенсивности метаболизма слона и кошки 80

веса тела слона и эффективной дозы для человека 8

интенсивности метаболизма слона и человека 3

веса мозга слона и человека 0,4

Я не намерен обсуждать здесь вопрос о том, сколько ЛСД нужно вводить слону и нужно ли вво­дить его вообще. Я просто хотел показать, что проб­лема масштабов далеко не столь проста. Однако во многих других ситуациях различия между животными гораздо более очевидны и их легче анализировать.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАСШТАБОВ СКЕЛЕТОВ

На рисунке 46 изображены скелеты двух живот­ных, которых никто из нас никогда не видел живыми. Справа изображен Neohipparion — вымерший предок лошади; достаточно одного взгляда, чтобы понять, что это было животное величиной с оленя. Слева изображено другое вымершее животное — масто­донт, и хотя на рисунке он имеет такие же размеры, как Neohipparionсразу видно, что эти массивные тя­желые кости принадлежат животному величиной со слона. То обстоятельство, что мы сразу воспринимаем истинные размеры этих животных, несмотря на то, что на рисунке они имеют одинаковую величину, от­ражает хорошо известное правило: масса животного возрастает пропорционально кубу его линейных раз­меров; а для того, чтобы кости могли выдержать эту массу, площадь их поперечного сечения должна уве­личиваться больше, чем она увеличивалась бы при воз­растании их диаметра пропорционально линейным размерам животного. Если бы этот диаметр возрастал в линейной зависимости, то площадь сечения увеличи­валась бы лишь пропорционально квадрату линейных размеров и кости сломались бы под тяжестью веса, который пропорционален кубу этих размеров.

Скелеты некоторых вымерших млекопитающих...

Скелеты некоторых вымерших млекопитающих…

Увеличение веса скелета с увеличением размеров у млекопитающих представлено в более общем виде на рис. 47. Этот график построен в логарифмической шкале, и все точки ложатся на одну прямую. Если бы все параметры животного изменялись в одинаковой пропорции, то вес скелета всегда составлял бы одну и ту же долю общего веса тела и соответствующий график имел бы вид прямой с наклоном 1,0. Между тем на полученном графике наклон кривой больше (1,13), то есть у крупных животных скелет относи­тельно тяжелее.

Изменение веса скелета млекопитающих в зависимости от веса тела...

Изменение веса скелета млекопитающих в зависимости от веса тела…

ИНТЕНСИВНОСТЬ МЕТАБОЛИЗМА, РАЗМЕРЫ И ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ

Один из переменных физиологических параметров млекопитающих представляет для нас гораздо боль­ший интерес, чем размеры их скелета; этот параметр — интенсивность их метаболизма. Если бы интенсив­ность метаболизма находилась в прямой зависимости от веса тела, то, построив график в логарифмической шкале, мы получили бы линию регрессии с накло­ном 1,0. Полная невозможность такой зависимости настолько хорошо известна, что я не стал бы еще раз упоминать об этом, если бы того не требовало дальнейшее изложение. Более 100 лет назад француз­ские ученые высказали мнение, что у теплокровных животных теплоотдача должна быть пропорциональна площади поверхности их тела и, следовательно, у мелких животных, площадь поверхности которых от­носительно больше, теплопродукция происходит отно­сительно более интенсивно, чем у крупных. Аналогич­ные соображения лежат в основе правила Бергмана, которое гласит, что животные, обитающие в областях с холодным климатом, обычно крупнее, чем их близ­кие родичи, обитающие в более теплых областях (Бергман, 1847).

Впервые экспериментальную проверку этих пред­ставлений произвел Рубнер, опубликовавший соот­ветствующие данные для собак разного размера (табл. 6).

Как видно из первого столбца таблицы 6, вес собак варьировал примерно от 31 до 3 кг, то есть в диапазоне 10:1. (В настоящее время можно без труда подобрать собак, размеры которых различались бы гораздо сильнее.) Интенсивность метаболизма в расчете на 1 кг веса (четвертый столбец) по мере уменьшения веса тела повышается. Однако интенсив­ность метаболизма на 1 м2 поверхности (пятый стол­бец) изменяется очень мало, то есть отношение интенсивности метаболизма собак к площади поверх­ности их тела почти постоянно. Рубнер объясняет это как приспособление к сохранению тепла: поскольку теплоотдача происходит с поверхности тела, она должна зависеть от площади этой поверхности. Кроме того, он весьма четко указал, что теплоотдача обу­словлена не какой-то особой активностью клеток, а стимуляцией кожных рецепторов, которые в свою очередь стимулируют клетки метаболически активных тканей. Мы считаем эти доводы ошибочными.

На основании работ Рубнера был сформулирован «закон поверхности», или «правило поверхности», как я предпочитаю его называть, и площадь поверхности стали широко использовать для оценки интенсивности метаболизма. Однако спустя всего лишь пять лет после опубликования работы Рубиера стало ясно, что теплоотдача не может быть главным фактором, обу­словливающим эту зависимость. В 1888 году фон Гёс­слин опубликовал результаты своих исследований, проведенных на рыбах; он установил, что у рыб потребление кислорода гораздо больше зависит от площади поверхности, чем от веса. Между тем со­вершенно очевидно, что рыбам нет никакой нужды сохранять тепло пропорционально площади поверх­ности.

После работы Гёсслина было проведено множе­ство других исследований на эту тему, но, прежде чем заняться их рассмотрением, я уделю еще некоторое внимание поверхности тела животных. Площадь по­верхности очень строго зависит от веса тела. Вместе с тем точно определить площадь поверхности тела очень трудно, и Клейбер (1967) неоднократно подчер­кивает, что нельзя надеяться сделать это с точностью, превышающей 20%.

На рисунке 48 показана зависимость площади поверхности тела от веса у большого числа организ­мов весом от нескольких граммов до нескольких тонн. Прямая линия выражает эту зависимость для шара с удельным весом 1,0. Шар имеет наименьшую воз­можную поверхность по сравнению с любым другим телом равного объема, и, как видно на рисунке, площадь поверхности тела животных весьма законо­мерно оказывается вдвое больше, чем у шара соот­ветствующего веса. В- правом верхнем углу рисунка имеется 7 более крупных точек, располагающихся значительно выше всех остальных. Эти точки отно­сятся не к животным, а к буковым деревьям (причи­ны, по которым они нанесены на график, станут ясны в дальнейшем). Относительная площадь поверхности у деревьев больше, чем у животных, но соответствую­щие точки ложатся на линию, параллельную линии для животных и имеющую наклон 0,67. Таким обра­зом, в целом площадь поверхности живых организмов удивительно строго соответствует квадрату их линей­ных размеров (или их объему или массе в степени 2/3). Важно понять, что сохранение строгой зависи­мости между площадью поверхности и объемом дик­туется не одними лишь чисто геометрическими со­ображениями; если бы мы захотели создать функ­ционирующую модель животного, не важно крупного или мелкого, мы бы неизбежно погрязли в необходи­мости все время принимать во внимание площадь поверхности. В организме происходит множество процессов, зависящих от площади различных поверх­ностей: теплоотдача, о которой мы уже говорили, зависит от общей поверхности тела; поглощение кис­лорода в легких или в жабрах — от площади по­верхности этих органов; диффузия кислорода через стенки капилляров — от их суммарной поверхности; всасывание питательных веществ в пищеварительном тракте — от площади всасывающей поверхности и т. д. В сущности все клетки имеют поверхности и происхо­дящие на этих поверхностях процессы (или, как мы их теперь называем, мембранные процессы) должны зависеть от их площади.

Зависимость площади поверхности тела позвоночных от веса...

Зависимость площади поверхности тела позвоночных от веса…

ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ ИЛИ ВЕС?

Совершенно очевидно, что едва ли можно создать модель животного, не учитывая зависимость разных его параметров от площади поверхности тела. Приве­дем пример из области терморегуляции. Клейбер установил, что если бы мы создали модель быка с такой же интенсивностью метаболизма, как у мыши, с тем, чтобы она рассеивала тепло с той же ско­ростью, с какой оно продуцируется, то температура на поверхности модели оказалась бы гораздо выше точки кипения. И наоборот, если создать мышь, интенсивность метаболизма которой относительно ве­са тела соответствовала бы таковой у быка, то для того, чтобы сохранять нормальную температуру тела, ей надо было бы иметь шерстный покров толщиной не менее 20 см. Совершенно ясно, что площадь поверхности имеет важное значение и ею пренебре­гать нельзя.

После опубликования работы Рубнера многие выдающиеся физиологи уделяли очень большое вни­мание изучению зависимости между поверхностью тела и интенсивностью метаболизма. Однако в основ­ном ученые продолжали считать главным фактором площадь поверхности, пока Клейбер (1932) не напи­сал статью, которая до сих пор еще оказывает боль­шое влияние на все наши концепции в этой области. Эта статья напечатана в Hilgardia — малоизвестном сельскохозяйственном журнале, издававшемся Калифорнийской экспериментальной сельскохозяйственной станцией в Дэвисе (ныне Университет штата Кали­форния в Дэвисе). У меня есть редкий оттиск этой статьи с красным штампом: «Макс Клейбер. Личный экземпляр. Не вынимать из архива». Клейбер, оче­видно, понял отсутствие логики в этих распоряжениях? если оттиск нельзя взять из архива, то как же его можно использовать? Вероятно, именно по этой при­чине он лично подарил его мне — подарок, за который я ему бесконечно благодарен.

В этой статье Клейбер показал, что интенсивность метаболизма у млекопитающих не только удивительно постоянно зависит от их веса, но и заметно отклоняет­ся от прямой зависимости от площади поверхности., Он изучал животных самых разных размеров — от крысы до быка — и построил кривую, которую можно назвать «кривая крыса — бык». Это довольно неуклю­жее название не вошло в обиход; однако вывод Клей­бера о том, что построенный в логарифмическом масштабе график зависимости интенсивности метабо­лизма млекопитающих от веса их тела представляет собой прямую с наклоном 0,75, заслужил всеобщее признание. Спустя два года Броди, Проктер и Эшуорс (1934) опубликовали свою хорошо известную «кривую мышь — слон», а спустя еще четыре года Бенедикт (1938) опубликовал такую же кривую в своей книге «Энергетика жизни», в которой он несколько неохотно признал, что, хотя животные ничего не знают о лога­рифмах, на логарифмическом графике зависимости метаболизма от веса тела точки ложатся удивительно близко к прямой линии.

Наклон прямой, построенной Броди, составил 0,734; эта величина очень близка к 0,75, постулированной Клейбером, и в сущности различие между этими двумя величинами статистически недостоверно. Рас­суждения относительно значимости второго или треть­его знака после запятой представляются несколько бессмысленными, если учесть, что, прежде чем Броди произвел свои расчеты, он принял некоторые «допу­щения» для слона. Точка, отвечающая крайним значе­ниям размеров, оказывает на наклон линии гораздо большее влияние, чем точка, отвечающая средним раз­мерам; в данном случае это влияние составило 30%, так как «из первоначальной величины было вычтено 30% (10%, чтобы учесть стоячее положение, 20%, чтобы учесть приращение тепла за счет кормления)» (Броди, 1945).

Изучение зависимости между интенсивностью ме­таболизма и весом тела было проведено также на многих холоднокровных животных; полученные при этом линии регрессии имели такой же наклон, хотя располагались ниже. Сходный наклон имеет линия регрессии даже для буковых деревьев. Это заставляет навсегда отказаться от представления о терморегу­ляции как о главном факторе, определяющем постоян­ство соотношения между продукцией тепла и весом тела. Для многих беспозвоночных зависимость между интенсивностью метаболизма и весом тела также описывается прямыми линиями, которые статистиче­ски имеют такой же наклон. У некоторых животных, однако, наклон линий регрессии сильно отличается, а у ряда моллюсков и насекомых он равен 1,0, то есть интенсивность их метаболизма прямо пропорцио­нальна весу тела.

Подробный обзор всех этих данных произвел Хеммингсен (1960), рассмотревший очень разных жи­вых существ — от микроорганизмов до самых круп­ных млекопитающих (рис. 49). О широте такого диапазона свидетельствует уже одно то, что каждое деление на координатных осях соответствует разнице не в 10, а в 1000 раз. На трафике точки для тепло­кровных хорошо ложатся на прямую; сходная прямая, но лежащая несколько ниже, получается для хо­лоднокровных животных, а на продолжение ее ниж­него конца укладываются точки для многих беспоз­воночных. Данные по микроорганизмам тоже образуют прямую с таким же наклоном, как и две предыдущие прямые. Однако наклоны всех этих трех прямых заметно отличаются от линии, описывающей зависи­мость от площади поверхности (прерывистая линия с наклоном 0,67), и от линии, описывающей прямую зависимость от веса (прерывистая линия с наклоном 1,00).

Зависимость интенсивности метаболизма от веса у разных организмов...

Зависимость интенсивности метаболизма от веса у разных организмов…

Все три интересующие нас линии описываются хорошо известным экспоненциальным уравнением

у = b • хa.

В логарифмической форме это уравнение превра­щается в линейное:

log y = a • log х log b,

где а — наклон прямой — соответствует показателю степени в предыдущем уравнении. Аналогично если мы обратимся к кривым, описывающим процесс мета­болизма, которые мы уже обсуждали, то мы получим, что логарифм интенсивности метаболизма связан с логарифмом веса тела линейной зависимостью

log (интенсивность метаболизма) = а • log (вес тела) + k.

Вернемся теперь к обсуждению биологического смысла коэффициентов а, то есть наклонов прямых, представляющих собой линии регрессии, и статистиче­ской достоверности различий в их значениях. Отли­чается ли наклон 0,75, на котором настаивает Клейбер, достоверным образом от величины 0,67? Ответ состоит в том, что для установления достоверности этого различия надо рассматривать животных, раз­меры которых отличаются больше чем в 9 раз. Напом­ним, что диапазон различий в размерах между соба­ками, с которыми работал Рубнер, был примерно таким. Поэтому Рубнер, в сущности, не располагал до­статочными данными, которые позволили бы ему до­стоверным образом установить отличие величины на­клона от значения 0,67, связанного просто с отноше­нием поверхности к объему. В тех работах, которые проводились на большом числе млекопитающих очень разных размеров, величина а всегда оказывалась больше, чем 0,67. Например, Броди и Проктер (1932) получили значение 0,734, а Клейбер (1961) — 0,756. Клейбер показал, что эти величины можно считать достоверно отличными от 0,75 лишь в том случае, если вес изучаемых животных будет варьировать от менее чем 4 г до более чем 800 т. Однако известно, что самое крупное из ныне живущих животных — си­ний кит — весит лишь около 100 т, и поэтому я пола­гаю, что мы никогда не будем располагать фактиче­скими данными, которые бы позволили достоверно установить отличие величины а от 0,75. Один из доводов, приводимых Клейбером в пользу значе­ния 0,75 (3/4), состоит в том, что с этой величиной гораздо проще оперировать при вычислениях.

Повторим вкратце те этапы, которые привели к нашим современным представлениям в этой области. В начале XIX века французские ученые пришли к выводу, что теплоотдача должна зависеть от площади поверхности животного. Рубнер впервые изучил этот вопрос экспериментально на собаках, очень сильно различающихся по размеру. Он обнаружил весьма тесную зависимость интенсивности метаболизма от площади поверхности тела, после чего соотношение этих величин стали использовать в качестве основного эталона во всех исследованиях метаболизма. Клейбер на основании изучения данных об интенсивности метаболизма у млекопитающих, различающихся по размерам гораздо сильнее, пришел к выводу, что соответствующий показатель весьма близок к весу тела в степени 3/4.

В вводной статье к «Ежегодному обзору физиоло­гии» (Annual Review of Physiologyза 1967 год Клейбер не без юмора подчеркивает универсальность этой величины. В этой статье, озаглавленной «Старый профессор животноводства пережевывает», он кос­нулся ряда интересных проблем, и в том числе физио­логии жителей Лилипутии. Сделав некоторые допу­щения о весе лилипутов, Клейбер установил, что при определении количества пищи для Гулливера они приняли наклон линии регрессии равным 0,76; эта величина, по существу, не отличается от той, которую указывал Клейбер в своей статье, опубликованной в журнале Hilgardia в 1932 году, и тем самым лили­путы опередили его на 233 года. Клейбер указывает также, что если бы лилипуты основывали свои расче­ты на «правиле поверхности» Рубнера, то Гулливер получил бы всего 675 порций и ему пришлось бы голодать (При внимательном чтении «Путешествий Гулливера» мож­но обнаружить некоторое расхождение между допущениями Клейбера и утверждениями Свифта относительно размеров лилипу­тов. Свифт, естественно, не был знаком с современной физиоло­гией и определял рацион по весу, который он получал возведе­нием линейных размеров в третью степень).

СНАБЖЕНИЕ КИСЛОРОДОМ — СНОВА РАСЧЕТЫ

Можем ли мы проанализировать, что в сущности означает этот столь часто встречающийся наклон 0,75? Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, рассмотрим некоторые трудности, возникающие при расчетах, касающихся живых организмов. Рис. 50 дает наглядное представление о том, сколь быстро возра­стает интенсивность метаболизма по мере уменьшения веса тела у млекопитающих. Резкое возрастание ме­таболизма у самых мелких животных означает, что снабжение кислородом и питательными веществами у них должно происходить в 100 раз более интенсивно, чем у крупных животных. Рассмотрим сначала фак­торы, от которых зависит снабжение тканей кислоро­дом, а затем займемся газообменом в легких, ибо и то и другое играет важную роль в снабжении организма кислородом.

Зависимость интенсивности метаболизма от общего веса для разных млекопитающих

Зависимость интенсивности метаболизма от общего веса для разных млекопитающих

Плотность распределения капилляров (число ка­пилляров, приходящихся на единицу площади попе­речного сечения ткани). Скорость диффузии кислоро­да из капилляра в метаболически активную клетку определяется: 1) расстоянием, на котором происходит диффузия; 2) разностью между парциальным давле­нием кислорода в капилляре и в клетке. Первое условие зависит просто от плотности распределения капилляров, тогда как на второе влияет кривая дис­социации кислорода в крови, а также эффект Бора; для того чтобы эффект Бора мог осуществиться за то короткое время, пока кровь остается в капиллярах, необходимо присутствие карбоангидразы.

Крог (1929) понимал необходимость высокой плот­ности распределения капилляров в тканях мелких животных, и он подтвердил это, произведя подсчет числа капилляров, приходящихся на единицу площади поперечного сечения мышцы у лошади, овцы и мор­ской свинки. Примерно такие же данные получили впоследствии некоторые другие ученые, однако различия в использованных ими методах не дают возмож­ности провести надежные сравнения. Поэтому мы подсчитали число капилляров в разных мышцах у ряда млекопитающих, применяя во всех случаях один и тот же метод. Оказалось, что число капилляров в разных мышцах одного и того же животного значи­тельно варьирует, причем эти вариации лишь частич­но удается связать с соотношением красных и белых волокон в мышцах; оказалось также, что плотность распределения капилляров гораздо менее тесно свя­зана с общими размерами животного, чем предпола­галось (рис. 51), Правда, у самых мелких животных плотность распределения капилляров действительно была очень высокой, однако у более крупных видов, начиная от кролика и выше, определённой зависимо­сти числа капилляров от веса обнаружить не удалось. Насколько я могу судить, это должно означать, что какие-то другие соотношения играют более важную роль, чем расстояние, на котором происходит диффу­зия. В мышце капилляры находятся среди мышечных волокон, которые в любом случае представляют собой главную функциональную единицу мышцы. Быть мо­жет, определять относительные размеры мышечного волокна у крупного животного невозможно по причи­нам, связанным с величиной сократительных элемен­тов или с условиями проведения потенциала действия. В таком случае изменения плотности распределения капилляров в мышцах крупных млекопитающих ока­жутся ограниченными.

Плотность распределения капилляров в икроножной мышце у млекопитающих разного размера...

Плотность распределения капилляров в икроножной мышце у млекопитающих разного размера…

Давление полунасыщения. Рассмотрим теперь дав­ление полунасыщения кислорода в наполняющей ка­пилляры крови, описываемое кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 52). Здесь нас интересует цельная, интактная кровь при нормальном для дан­ного организма рН, потому что по кровеносным сосудам течет именно цельная кровь, а не разбавлен­ные растворы гемоглобина в фосфатном буфере. Общая тенденция не вызывает сомнений: кривые дис­социации крупных животных располагаются левее, мелких — правее. Давление полунасыщения (Р50), иногда называют «напряжением отдачи» (unloading tension), однако нам не нужно точно определять величину этого давления, чтобы убедиться, что у мел­ких животных гемоглобин отдает кислород при более низком парциальном давлении, чем у крупных. На рис. 52 показано также влияние кислоты на кривую диссоциации оксигемоглобина у мыши; наблюдаемый сдвиг кривой вправо (эффект Бора) повышает давле­ние полунасыщения.

Кривые диссоциации оксигемоглобина для ряда млекопитающих...

Кривые диссоциации оксигемоглобина для ряда млекопитающих…

После того как была установлена зависимость между кривой диссоциации оксигемоглобина и общи­ми размерами тела у млекопитающих, которая была истолкована как отражение большей потребности мелких животных в кислороде, интерес к исследова­ниям на цельной крови сильно возроси было описано много других аналогичных примеров среди млеко­питающих. Особый интерес ввиду своих больших размеров представляет слон, кривая диссоциации которого располагается левее кривых для всех других млекопитающих.

Эффект Бора. Как уже было сказано выше, эффект Бора весьма полезен, поскольку он повышает давле­ние полунасыщения кислорода. На рис. 53 собраны данные об эффекте Бора у разных млекопитающих. Как показывает этот рисунок, эффект Бора сильно возрастает по мере увеличения веса животного — от слона к мыши; подкисление крови больше повышает утилизацию кислорода у мелких животных. Среди всех приведенных на рисунке животных обращает на себя внимание чихуахуа, точка для которой сильно отклоняется в сторону и не укладывается на линию регрессии. Быть может, то обстоятельство, что эф­фект Бора для этого животного не. отличается от такового для обычной собаки, свидетельствует о том, что, несмотря на небольшой вес и своеобразный внешний вид, чихуахуа все же остается собакой.

Действие кислоты на отдачу кислорода из крови...

Действие кислоты на отдачу кислорода из крови…

Карбоангидраза. Для того чтобы эффект Бора усилил отдачу кислорода тканям, совершенно необхо­димо, чтобы кровь была подкислена до того, как она выйдет из капилляра. Эритроцит находится в капил­ляре лишь в течение какой-то доли секунды; за такое короткое время СО2 тканей не успела бы превратиться в угольную кислоту, если бы не присутствие карбоангидразы, ускоряющей реакцию гидратации СО2. Мы с Ларимером исследовали содержание карбоангидразы в эритроцитах разных млекопитающих и обнаружили, что у мелких животных содержание этого фермента в эритроцитах гораздо выше, чем у крупных. Считается, что карбоангидраза не играет существенной роли в процессе дыхания; блокирова­ние ее функции при помощи диамокса не оказывает заметного влияния. Давенпорт описал карбоангидразу как фермент, не имеющий определенной функции. Однако мы считаем, что карбоангидраза, не будучи необходимой для транспорта СО2, играет важную роль, способствуя адекватной отдаче кислорода тка­ням; подобная функция карбоангидразы, очевидно, должна иметь особенно большое значение во время физической нагрузки (Лаример и Шмидт-Нильсен, 1960),

РАЗМЕРЫ ЛЕГКОГО

А теперь рассмотрим вкратце противоположный элемент системы переноса кислорода — поглощение кислорода в легких, В этом случае вычисление соотношений гораздо проще и мы можем провести более глубокий анализ.

Прежде всего оказывается, что у млекопитающих объем легких находится в прямой зависимости от веса тела (рис. 54). Если нанести на ось абсцисс логарифмы веса тела различных млекопитающих, а на ось ординат — логарифмы объема их легких, то получится прямая линия с наклоном, очень близким к 1; иными словами, относительный объем легких у всех млекопитающих одинаков и составляет при­мерно 6,3% их общего объема. Как уже отмечалось, всегда имеются некоторые отклонения от таких линий регрессии. Эти отклонения могут быть обусловлены ошибками измерения или различиями в методах ис­следования, однако нельзя забывать, что иногда отклонения представляют особый интерес и заслу­живают большего внимания, чем типичная картина, после того как она достаточно хорошо выяснена.

Зависимость объем легких у млекопитающих от веса тела...

Зависимость объем легких у млекопитающих от веса тела…

Если обратиться к диффузионной поверхности легкого, то оказывается, что эта переменная непосред­ственно зависит от скорости поглощения кислорода, а не от размеров тела животного (рис. 55). С физиологической точки зрения это понятно. Поглощение кислорода, конечно, пропорционально весу тела в степени 3/4, и поэтому площадь диффузионной поверх­ности связана с ним такой же зависимостью. Таким образом, принимая во внимание соотношение с раз­мерами тела, можно сделать вывод, что у млекопита­ющих объем легких и их диффузионная поверхность действительно соответствуют потребностям организма в кислороде.

Зависимость площади диффузионной поверхности легких у млекопитающих от скорости потребления кислорода...

Зависимость площади диффузионной поверхности легких у млекопитающих от скорости потребления кислорода…

Как показывает следующий пример, применимость аллометрических уравнений и их предсказательная сила могут оказаться гораздо шире. Жизненная ем­кость легких (Жизненная емкость легких — наибольший объем воздуха, который можно выдохнуть после самого глубокого вдоха. Дыха­тельный воздух — объем воздуха, поступающего в легкие при обычном вдохе. — Прим. ред.) млекопитающих находится примерно в такой же зависимости от веса тела, как объем легких (см. рис. 54), и описывается уравнением

Жизненная емкость = 0,053В1,0,

где В — вес тела.

Объем дыхательного воздуха также зависит от веса

тела:

Дыхательный воздух = 0,0063В1,0.

Если разделить дыхательный воздух на жизненную емкость, то мы получим безразмерную величину 0,1. Таким образом, можно сделать вывод, что у млеко­питающих объем дыхательного воздуха соответствует 0,1 жизненной емкости легких независимо от веса тела. Хотя от этого общего правила бывают отклоне­ния, оно полезно, так как дает возможность предска­зывать физиологические параметры тех или иных животных, например крысы или лошади; кроме того, оно служит неким эталоном, с которым можно сопо­ставлять результаты конкретных исследований. В дан­ном случае мы получили в итоге безразмерную величину, которая свидетельствует о сходстве венти­ляции легких у всех млекопитающих. В этом отноше­нии все млекопитающие подобны друг другу без каких-либо специфических зависимостей от размеров тела.

Несколько лет назад Дрорбаф (1960), подробно изучая физиологию мышей, крыс, кроликов и собак, в числе других параметров рассматривал податли­вость легких. Он установил, что она непосредственно зависит от веса тела и описывается уравнением

Податливость = 0,00121 В1,0 мл (см Н2О)-1.

Как показывает это уравнение, число кубических миллиметров, на которые растягивается легкое при изменении давления воды на 1 см, прямо зависит от веса тела животного, и поэтому податливость легких крупного животного определяют просто относительно его размеров. Таким же образом зависит от размеров тела и жизненная емкость легких. Разделив одно уравнение на другое, мы получим удельную податли­вость:

Удельная податливость = 0,019 (см Н2О)-1.

В результате этих преобразований мы приходим к выражению, в котором вес тела отсутствует; таким образом, удельная податливость не зависит от разме­ров животного. Полученное соотношение означает, что изменение давления на 1 см Н2О вызывает у всех млекопитающих одинаковое изменение объема легких относительно их жизненной емкости; это изменение составляет 1,9% объема. На основании этих сообра­жений Дрорбаф высказал верное предположение, что давление при вдохе каждой порции воздуха должно быть одинаковым у всех млекопитающих.

Определение величин множества физиологических переменных и выведение безразмерных величин, выра­жающих соотношения между этими переменными, приобретают все более важное значение. В свое время Адольф (1949) опубликовал интересную работу по этим вопросам, а несколько лет назад Уолтер Сталь, незадолго до своей смерти, завершил работу над большой монографией «Физиологическое сходство и моделирование».

Прежде чем закончить эту главу, мне кажется уместным еще раз напомнить, что впервые примене­ние экспоненциальных уравнений для исследования зависимости физиологических функций от размеров тела ввел Клейбер, который в 1932 году произвел четкий анализ интенсивности метаболизма. Это изба­вило нас от необходимости связывать интенсивность метаболизма с площадью поверхности тела и прекра­тило горячие дебаты о том, как определять «свобод­ную» или «истинную» поверхность. «Закон поверхно­сти» как таковой не сохранился даже в виде «правила поверхности», а анализ различных функций относи­тельно размеров тела стал одним из интереснейших подходов к изучению того, как работает организм животных.