7. При одних и тех же размерах птицы живут примерно в 2,5 раза дольше, чем млекопитающие. Почему?

Продолжительность жизни млекопитающих и птиц в неволе (годы) в зависимости от массы тела (кг) описывается уравнением

Млекопитающие t(жизни) = 11,8·(Мт)^0,20

Птицы t(жизни) = 28,3·(Мт)^0,19

Эти два уравнения открывают поразительные факты. Сопоставление аллометрических уравнений, описывающих зависимости продолжительности жизни в зоопарках млекопитающих и птиц в зависимости от их массы, позволяет придти к выводу, что, во-первых, в обоих случаях продолжительность жизни увеличивается с увеличением размеров тела, а во-вторых, при одних и тех же размерах птицы живут примерно в 2,5 раза дольше, чем млекопитающие

Для мелких животных характерен более быстрый темп жизни, чем для крупных; они чаще дышат, их сердце бьётся чаще, они быстрее двигают ногами – всё у них происходит быстрее. Сердце землеройки бьется с частотой около 1000 раз/мин, а у слона всего лишь 30 раз/мин. 1000 ударов сердца слона занимает более получаса,а у землеройки то же число ударов происходит за 1 мин. То же самое относится и к другим физиологическим функциям. Это означает, что временная шкала животного может быть связана с его размерами.

Частота сердечных сокращений у млекопитающих [мин-1] fc = 241•(Mт)-0,25 [кг], а длительность каждого сердечного сокращения [t, мин] tс = 1 / [241•(Mт)-0,25] = k•(Mт)0,25

Частота дыханий у млекопитающих [мин-1] fд = 53,5•(Mт)-0,26 [кг], а длительность каждого дыхательного цикла tд = 1 / [53,5•(Mт)-0,26] = 0,0187•(Mт)0,26

Тогда отношение fc / fд = [241•(Mт)-0,25] / [53,5•(Mт)-0,26] = 4.5•(Mт)0,01

Показатель степени, равный 0,01 близок к нулю. Тогда мы встречаемся здесь с общебиологическим правилом, гласящим, что на один дыхательный цикл у всех млекопитающих приходится 4,5 удара сердца.

Птицы дышат медленнее, чем млекопитающие (дыхательный объём у них выше), и частота сердечных сокращений у них также ниже. Аналогичные оценки для птиц

[мин-1] fc = 155,8•(Mт)-0,23 [кг]

[мин-1] fд = 17,2•(Mт)-0,31 [кг]

Тогда отношение fc / fд = 9,0•(Mт)0,08

Эти оценки позволяют сделать вывод, что на каждый дыхательный цикл у птиц приходится 9 сокращений сердца, что в 2 раза превышает этот показатель для млекопитающих.

8. Что является источником тепла в организме?

Тепло, выделяемое в организме за счет низкого к.п.д. биологической работы, не является энергетическим источником для выполнения биологической работы, поэтому оно должно выводиться из организма .

Одна из интереснейших закономерностей биоэнергетики заключается в неожиданно низком к.п.д. биологической работы. Благодаря этому, происходит значительное тепловыделение внутри организмов, обеспечивающее принципиальную возможность существования гомойотремных животных. Низкий к.п.д. биологической работы обусловливает уже известный нам факт, что даже в покое жизнь представляет собой тяжелую работу, а, в соответствии со вторым законом термодинамики, любой необратимый энергетический процесс сопровождается частичной потерей энергии в виде тепла. Любая форма энергии может полностью перейти в тепло, в то время как тепло может превращаться в другие формы энергии лишь частично, да и то с затратой дополнительной энергии.

Теплопрподукция может быть изменена за счет двух принципиально различающихся процессов. Первый мы только что разобрали выше – несократительный термогенез за счет разобщения процессов дыхания и фосфорилирования. Второй – сократительный термогенез.

Главным источником дополнительного (по сравнению с основным обменом) теплообразования является сократительный термогенез, подразделяемый на терморегуляционный мышечный тонус (тремор, - незаметная для глаза работа мышц) и холодовую дрожь.

Сократительный термогенез, т.е. специфическое повышение теплопродукции за счет специальных мышечных реакций в виде терморегуляционного мышечного тонуса, вносит главный вклад в повышение теплопродукции живых организмов.

Теплообразование (термогенез, термопродукция) в процессе метаболизма живых организмов является прямым следствием второго закона термодинамики. Тепло, выделяемое в организме за счет низкого к.п.д. биологической работы, не является энергетическим источником для выполнения биологической работы, поэтому оно должно выводиться из организма.

Главным источником дополнительного (по сравнению с основным обменом) теплообразования является сократительный термогенез, подразделяемый на терморегуляционный мышечный тонус (тремор, - незаметная для глаза работа мышц) и холодовую дрожь.

Сократительный термогенез, т.е. специфическое повышение теплопродукции за счет специальных мышечных реакций в виде терморегуляционного мышечного тонуса, вносит главный вклад в повышение теплопродукции живых организмов.

9. Для птиц характерна некоторая оптимальная скорость полета, при которой потребление кислорода минимально: [мл О₂ г^-1 км^-1] V(О₂) = 0,26·(М_т)^-0,23 г. Сравните эту «цену» полета для снегиря(150 г) и лебедя (15 кг). Объясните полученный результат.

млО2 г-1 км-1 V(O2) = 0,26 (Мт(г))^(-0,23) г

Снегирь - 150 г

Лебедь - 15 кг = 15000 г

V(O2)снегиря = 0,26*150^(-0.23) = 0.082

V(O2)лебедя = 0.26*15000^(-0.23) = 0.029

Как и для млекопитающих, энергетическая цена полета птиц обратно пропорциональна массе тела, но в отличие от бега млекопитающих, эта цена зависит от скорости. Для оптимальной скорости энергетически наиболее выгоден полет, плавание – в 2-3 раза дороже, бег – дороже в 20-30 раз!

Аэродинамические оценки показывают, что для горизонтального полета мощность самолета возрастает пропорционально его массе (Мт)1,0, а для вертолетов даже быстрее (Мт)1,1. Поскольку реальный метаболизм птиц и насекомых возрастает пропорционально массе (Мт)0,72 и (Мт)0,77, это означает, что существуют максимально возможные размеры птиц для поступательного движения и насекомых или птиц для трепещущего полета, что и подтверждается реальными данными.