Почему у живущих южнее животных лапы длиннее. Северные животные крупнее южных из-за питательной травы
В 1847 году Карл Густав Бергман, работавший в Гёттингенском университете, сформулировал правило, которое в упрощенном виде звучит так: «В более теплом климате теплокровные животные одного или близких видов мельче, а в более холодном — крупнее».
Поначалу выводы немецкого биолога, анатома и физиолога были восприняты научным сообществом с сомнением, но со временем стало очевидно, что Бергман как нельзя более точно охарактеризовал один из принципов эволюции.
Действительно, такая закономерность не только существует, но и хорошо заметна. Например, у животного, имеющего один из самых широких ареалов обитания, — волка. Аравийский волк, обитающий в Омане, Израиле и других странах Ближнего Востока, — тощее низкорослое создание весом около 15 килограммов. Несмотря на свои размеры, это свирепый хищник, библейский символ злобы и ярости.
Волк из северных лесов и египетский волк (ниже)
На Аляске же и на севере Канады водятся волки вдвое крупнее и впятеро тяжелее. Волки с севера Индии, воспитавшие Маугли, вряд ли достигали веса в четверть центнера, а вот зверь, на котором скакал Иван Царевич, потянул бы, существуй он в действительности, не меньше чем на 60 килограммов, как матерый волк лесной зоны России.
Аналогичная ситуация с пумой. Разброс в весе у особей, обитающих на экваторе и на юге Канады или Аргентины, — от 60 до 110 и даже, в исключительных случаях, 120 килограммов.
Изменения заметны и по мере подъема в горы. Чем выше и, соответственно, холоднее, тем крупнее животные. Если же рассматривать животных близких видов, то правило Бергмана еще очевиднее: малайский медведь, средний вес которого 45 килограммов, вдесятеро уступает по весу среднему белому медведю.
Белый медведь — один из самых крупных наземных представителей млекопитающих отряда хищных. Его длина достигает 3 м, масса до 1 т. Обитает в приполярных областях в северном полушарии Земли.
Малайский медведь — самый мелкий представитель семейства медведей: в длину он не превышает 1,5 м. Обитает в Индии.
Хотите больших различий? Пожалуйста! Мысленно поставьте рядом самого маленького южного оленя, канчиля с Суматры, и самого большого северного — лося с Камчатки или Аляски. Разница просто фантастическая: 25 сантиметров в холке и 1200 граммов веса у первого и почти 2,5 метра и 650 килограммов у второго. Такое сравнение, может, не очень корректно, зато наглядно.
СБЕРЕЧЬ ТЕПЛО
В чем же секрет, почему по мере похолодания климата звери растут? Все дело в терморегуляции. Чем холоднее, тем важнее сохранить тепло тела, свести к минимуму теплоотдачу в окружающую среду. Ведь на поддержание постоянной температуры тела нужна энергия, то есть, в конечном счете, еда. Ее нужно добыть, что значит — тратить энергию. А зачем ее расходовать лишний раз?
На первый взгляд, чем больше поверхность тела, тем больше тепла теряет живое существо. Но рассматривать теплопотери сами по себе бессмысленно — важно их отношение к теплопродукции. Животные не только теряют тепло, но и производят его, и чем больше объем тела, тем больше джоулей оно выделяет в атмосферу.
Крошечный олень канчиль и лось с Аляски
С увеличением размеров тела рост объема опережает рост площади поверхности: у животного, которое станет в два раза шире, выше и длиннее, площадь тела увеличится в четыре раза, а объем — в восемь раз.
Таким образом, отношение потери тепла к его производству окажется в два раза выгоднее для «подросшего» зверя. В действительности, конечно, все не настолько математически точно, однако тенденция именно такова.
Разумеется, как и у любого правила, имеющего отношение к живой природе — то есть к сложнейшим динамичным системам из множества компонентов, — из правила Бергмана бывают исключения. Причины их могут быть самыми разнообразными.
От скудости кормовой базы, просто не позволяющей животным «набрать вес» и вынуждающей их мельчать, до расселения животных за пределы привычного ареала. В таких ситуациях картина может не быть «идеальной» из-за того, что прошло недостаточно времени.
Звери, переселившиеся севернее или южнее, еще не успели эволюционировать, ведь, как и большинство подобных процессов, у теплокровных изменение размеров в связи с климатом идет довольно быстро по палеонтологическим меркам, но медленнее, чем можно заметить «невооруженным взглядом».
Однако самые большие животные — слоны, бегемоты, жирафы — обитают там, где очень жарко. И это не противоречит правилу Бергмана. Таким гигантам доступны чрезвычайно обильные ресурсы пищи. И было бы странно ими не воспользоваться — раз уж можно отъесться до больших размеров, что само по себе приятно, а заодно «вывести» себя из-под угрозы хищников, которым не справиться с великанами.
Вот только эти животные постоянно испытывают риск перегрева, поскольку теплопродукция у них огромна — поэтому, решая проблемы теплоотдачи, им приходится идти на всевозможные ухищрения. Например, большую часть времени сидеть в воде, как гиппопотамы, или отращивать огромные уши, как слоны.
ПОЛЮС БЛИЖЕ -УШИ МЕНЬШЕ
Правило Бергмана редко рассматривают в отрыве от другого экогеографического правила, авторство которого принадлежит американскому зоологу Джоэлу Аллену. В 1877 году Аллен опубликовал работу, где обратил внимание специалистов на взаимосвязь между климатом и строением тела теплокровных животных родственных видов: чем холоднее климат, тем меньше у них выступающие части тела относительно общих его размеров.
И напротив, чем теплее климат, тем длиннее уши, хвосты и ноги. За примерами опять же далеко ходить не надо: фенек и песец. Пустынная лисица знаменита своими огромными ушами-парусами, у песца же ушки маленькие, зимой едва торчащие из густой шерсти.
Песец и фенек (ниже)
Индийский и африканский слоны живут в теплом климате, а их родственник сибирский мамонт обитал в стране морозов. У африканского слона огромные уши, у индийского заметно меньше, а у мамонта и вовсе были по слоновьим меркам совершенно несолидные.
Закономерности в размере выступающих частей тела также связаны с теплообменом. Через хвосты, уши и ноги идет активная теплоотдача, поэтому на севере или в высокогорье их размер выгодно минимизировать. Причем речь здесь идет уже не только о напрасной потере тепла, но и о том, чтобы сохранить орган в целости. Длинные хвосты и большие уши могут попросту отмерзнуть так, что разовьется некроз тканей — это порой происходит с собаками, которых горожане привозят в тундру из мест с умеренным климатом. В подобных случаях уши и хвосты несчастным четвероногим приходится ампутировать.
Индийский слон
А там, где тепло, длиннохвостым и ушастым — самое подходящее место. Поскольку через эти органы идет активная теплопотеря, они здесь не обуза, а напротив, средство охлаждения организма, действующее наподобие радиатора компьютерного кулера. Возьмем для примера слона. В его большие, богатые кровеносными сосудами уши поступает кровь.
Здесь она охлаждается, отдав тепло в окружающую среду, и возвращается в туловище. То же самое можно сказать о процессах в хоботе. Мы не знаем, а только предполагаем, насколько энергозатратным было владение хоботом для мамонтов. Спасало древних животных то, что хобот был с довольно солидной жировой прослойкой и, как и остальное тело мамонта, покрыт густой шерстью.
Есть ли еще какие-то правила, описывающие зависимость внешности животных от климата? В 1833 году, то есть до того как Бергман постулировал свое правило, немецкий орнитолог Константин Вильгельм Глогер, работавший в Бреслау (нынешнем Вроцлаве) , заметил: у родственных видов птиц (а как показали дальнейшие наблюдения — у млекопитающих и некоторых насекомых тоже) пигментация разнообразнее и ярче в теплом и влажном климате, нежели в холодном и сухом.
Те, кому повезло попасть в хранилище Зоологического музея МГУ, могли видеть там десятки висящих одна за другой волчьих шкур. Рыжевато-бурые длиной не больше метра, палевые чуть длиннее, серые — еще длиннее и, наконец, огромные, в человеческий рост, почти что белые с легкой примесью серых и черных волосков. Рыжие южные и белые северные волки — это пример правила Глогера.
Другой пример — розовый скворец, обитатель теплых стран, и скворец обыкновенный, темный в светлую крапинку. Сначала предполагали, что такое распределение связано с необходимостью маскировки: среди яркой зелени с разноцветными лепестками цветов легко не заметить райскую птицу с ее буйством красок в оперении, а вот белая куропатка будет как на ладони.
Розовый скворец и обычный (ниже)
А радужной колибри будет так же неуютно в тундре — и велика вероятность, что еще раньше, чем она замерзнет, птичка окажется в чьих-то зубах или когтях. Версию с маскировкой и сейчас не отрицают, однако выяснилось, что здесь работает еще один фактор: в теплой и влажной среде синтез пигментов протекает активнее.
Есть интересное исключение из правила Глогера. Это так называемый индустриальный меланизм, впервые обнаруженный в Англии, а затем в Северной Америке. Примером его могут служить бабочки, обитающие в местах с развитой промышленностью. Фабрики выбрасывали дым и копоть, стволы берез и лишайники темнели. Белые бабочки на их фоне становились заметны, их поедали птицы.
Выживали те насекомые, кто из-за случайной мутации оказывался меланистом (черным). Постепенно количество черных особей в популяциях стало достигать 90%, а ведь когда-то 99% были белыми.
Вениамин Шехтман
Журнал DISCOVERY Август 2014
Сохранять
тепло очень важно для тех животных, которые проживают в холодных климатических поясах, поэтому многие из них отмечаются приспособленностью для таких условий телосложением.
Основные данные:
Изменение формы тела.
У многих жителей холодных областей форма, размеры и пропорции тела отличаются от формы, размеров и пропорций тела животных того же вида, населяющих теплые районы. Такое строение тела является признаком лучшей приспособленности к регуляции теплообмена. Этот факт объясняется на примере двух правил.
Правило Бергмана. Очевидно, что животные, которые живут в холодных климатических зонах, имеют округлое тело. Согласно правилу Бергамана округлая форма тела лучше помогает удерживать тепло. Прекрасным примером, иллюстрирующим данное правило, цилиндрические тела млекопитающих, живущих в холодной воде, в частности тюленей.
Правило Бергамана
говорит, что среди животных одного вида, обитающих в большом ареале, крупнейшие особи встречаются в холодных регионах. Чем ближе к югу, тем меньше их размеры. Так, например, самый подвижный тигр - амурский тигр. Мельче - бенгальский. И совсем небольшой - яванский тигр. Так, в соответствии с правилами, крупные волки должны жить в Арктике.
Правило Алена.
Согласно правилу Аллена, у животных, населяющих холодные участки ареала, выступающие части тела (конечности, хвост, ушные раковины) меньше, чем у представителей того же семейства, живущих в теплых районах. Размеры тела уменьшаются с целью сокращения теплоотдачи и предотвращения лишним потерям тепла. Так, у обычного песца короткое тело, конечности и хвост выпуклый лоб, укороченные уши и рот. У рыжей лисы тело более удлиненное, длинный хвост и мордочка, а также уши, сильно выступают. А у степной лисы длинные конечности и огромные уши. Большие уши нужны животным для улучшения теплоотдачи и для предотвращения перегрева их организмов.
ИЛИ ТЕБЕ ИЗВЕСТНО, ЧТО...
Шиншилла имеет очень густую шерсть, потому что из одной волосяной луковицы вырастает до 40 волосков.
Во время зимней оттепели в арктических широтах идут дожди, после чего мокрая шерсть овцебыков часто мерзнет, образуя ледяной панцирь, мешающий животному двигаться.
1 см2 кожи северного морского котика покрывает до 50 000 волосков.
Северные олени нередко совершают длительные переходы в поисках убежища от холодных ветров, они пытаются согреться, прижимаясь телами друг к другу.
Млекопитающие, обитающие в холодных районах, поддерживают постоянную температуру тела, благодаря, прежде всего, воздушной прослойке, имеющемся в их шерсти. У многих видов животных под кожей находится толстый слой жира. Отдельные виды спасаются от холода с помощью особого строения тела.
НА севернее Полярного круга
Самой холодной частью ареала млекопитающих является Арктика. За исключением белого медведя, который живет даже на Северном полюсе, большинство видов проживающих в южных районах. У многих жителей Арктики густая, длинная и, как правило, белая шерсть. Их меховые шубы устроены по принципу двойных оконных рам, между которыми находится воздух - тепловой защитный слой. В летнее время шерсть у большинства видов редеет. Белый медведь в течение всего года носит белый наряд с оттенками желтого. Солнечные лучи проникают сквозь белые волоски к коже медведя и нагревают ее. Медвежья шерсть состоит из густого подшерстка, поэтому кожа медведя даже во время плавания в ледяной воде остается сухой. Кроме того, от холода его защищает и толстый слой подкожного жира.
Очень густая шерсть и у росомахи. Поскольку на шерсти росомахи никогда не образуются ледяные кристаллы, эскимосы шьют из ее шкур подложку для одежды. У других " морозостойких " животных, овцебыков, из густого подшерстка растут волосы длиной 50-70 см. Оба слоя имеют отличные свойства для удержания тепла и защищают животное даже в самые сильные морозы. Линяет овцебык во время короткого арктического лета.
Терморегуляции В ГОРАХ
В горных районах ночная температура обычно бывает намного ниже дневной. Млекопитающие, живущие высоко в горах, должны приспосабливаться не только сезонным колебаниям температуры, но и к суточным. Ветер, дождь и снег зимой не слишком приятные явления, поэтому большинство высокогорных жителей, как и жителей Арктики, имеют густой мех. Очень теплая шерсть у шиншилл, Викуна, гуанако, лам и альпак, живущих в Андах. Люди стригут гуанако, лам, Викуна и альпак, получая теплую шерсть. В горах, покрытых лесом, разница между дневной и ночной температурами не так велика. Этим пользуются многие виды горных коз и баранов, которые на зиму спускаются в эти места с большей высоты.
Терморегуляции В ВОДЕ
Некоторые морские млекопитающие живут вблизи Северного и Южного полярного круга, а моржи встречается только в Арктике. Отдельные виды ластоногих живут у берегов Антарктиды, постоянно находясь в ледяной воде. Нарвал и белуха проводят здесь всю свою жизнь, а серый, горбатый и синий киты появляются в этих регионах в летний период. В холодной воде теплоотдача осуществляется гораздо интенсивнее, чем в холодном воздушном пространстве. Человек, что окажется в подобных условиях, способна жить только в течение считанных минут. Цилиндрические формы китов и тюленей препятствуют излишнему выделению тепла, а толстый слой подкожного жира помогает им поддерживать постоянную температуру тела, когда они находятся в ледяной воде. Толщина жирового слоя, в зависимости от вида животных, составляет от нескольких сантиметров до полуметра. Кроме того, ластоногие имеют специальную кровеносную систему - она действует как теплообменник. Принцип ее действия основан на том, что сосуд, по которому кровь попадает в конечность, оплетается сетью мелких сосудов, относят кровь из конечности. При установившемся теплообмене между противонаправленными потоками крови достигается минимальное охлаждение крови, которая циркулирует внутри корпуса животного.
ЗАЩИТА ОТ ХОЛОДА
С наступлением крепких морозов слой снега для многих животных становится прекрасным убежищем, который удерживает тепло. Такие мелкие млекопитающие, например, как лемминги, роют сложные подземные коридоры, сверху покрытые толстым слоем снега. Горностай зимой также скрывается под землей. Гигантский бурый медведь, живущий на Аляске, спит зимой в берлоге, а самцы белых медведей скрываются под снегом только в снежные бури, тогда как беременные самки впадают в снежном логове в спячку. Самка белого медведя забирается в берлогу и сворачивается в клубок. Берлога заносит снегом. При этом снег образует своеобразный изоляционный слой. Волки, северные олени и лоси не боятся морозов. Лоси не бросаются в зимнюю спячку, а берут энергию из запасов жира, который нагуляли летом и осенью. Они очень мало двигаются и только в самый мороз ищут укрытия в зарослях растений и других защищенных местах. Бурундуки и много других мелких млекопитающих зимой впадают в спячку.
Наиболее древний способ передвижения - ходьба или неторопливый бег, при котором животное опирается на всю поверхность стоп и кистей (или большую их часть). Поэтому такой способ перемещения именуется стопохождением. Он не отличается особой быстротой, но гарантирует устойчивость и манёвренность. При стопохождении в каждый момент движения приподнятой оказывается только одна конечность, а три другие служат опорой, и обеспечивают равновесие.
Последовательно переставляя конечности левой и правой половины тела, животное движется вперёд. Стопохождение, сохранилось у многих насекомоядных: (ежи, землеройки), грызунов (мыши, полёвки, сурки) и у некоторых хищных (медведь). Почти так же, как у стопоходящих, устроены лапы зверей, лазающих по деревьям, например белок. Только пальцы у них длиннее, а у многих хорошо развиты и когти.
Пальцехождение и фалангохождение
А как быть животным, обитающим на открытых пространствах? Ведь им необходимо быстро бегать, чтобы спасаться от хищников или, наоборот, догонять жертву. Из современных млекопитающих наиболее приспособлены к бегу виды копытных, обладающие особым строением кисти и стопы. Но прежде чем сформировалась такая конечность, как, например, у антилоп или лошадей, их предки перешли от опоры на всю стопу к опоре на фаланги пальцев, т. е. к пальцехождению.
С одной стороны, пальцехождение позволяет вырабатывать большую скорость, а также двигаться прыжками. Но с другой - площадь опоры на поверхность земли уменьшается и возрастает физическая нагрузка на фаланги пальцев (в этом легко убедиться, пройдясь на цыпочках), а значит, появляется риск вывихнуть пальцы. Поэтому приходится жертвовать подвижностью суставов ради их большей прочности: фаланги пальцев стали более короткими, потеряли подвижность, а кости пясти и плюсны, напротив, сильно удлинились.
Среди современных млекопитающих пальцеходящими являются представители группы хищных, например кошки и собаки. Об эффективности этого способа передвижения свидетельствует то, что самое быстрое на Земле млекопитающее - гепард, развивающий скорость до 110 км/ч , относится к пальцеходящим.
Почему гепард бегает быстро, но не долго?
В отличие от пальцеходящих бегунов копытные млекопитающие способны бежать не только быстро, но и долго. Это возможно благодаря более прочному строению конечности и наличию роговых копыт. Копытные опираются на самые концы пальцев, покрытые копытами, предохраняющими от ранений о твёрдую почву или камни. Поэтому бег пальцеходящих хищных - это сочетание быстроты и манёвренности, а бег их потенциальных жертв - травоядных копытных - сочетание быстроты и выносливости.
У наземных млекопитающих задние конечности, как правило, всегда лучше развиты по сравнению с передними. Например, у зайцев эта разница очень существенна. Обычно они перемещаются короткими прыжками, отталкиваясь как передними, так и задними лапами. При быстром беге зайцы совершают длинные прыжки. Задние лапы во время движения они выносят далеко вперёд относительно передних, которые в этот момент служат опорой телу. Основная нагрузка при беге ложится именно на задние конечности.
Рикошетирующий бег
Очень редко передние конечности вообще перестают использоваться в качестве опоры в процессе бега. Ярким примером «двуногого» способа перемещения прыжками служат кенгуру. Этот способ передвижения называется рикошетирующим бегом.
Одновременно отталкиваясь сильными задними лапами и используя хвост в качестве руля и противовеса, кенгуру способны совершать один за другим огромные прыжки, отскакивая от земли («рикошетируя») подобно теннисному мячу. Крупные виды кенгуру перемещаются прыжками длиной 6-12 метров развивая при этом скорость до 40 км/ч. Правда, они не могут долго бежать с такой скоростью и быстро устают.
«Выступающие части тел теплокровных животных (уши, ноги, хвосты) в холодном климате меньше, чем в теплом».
Объяснение: чем больше уши и хвосты, тем больше поверхность тела, через которую уходит тепло. Для северных животных это не выгодно, поэтому уши и хвосты у них маленькие. Для южных родственников - наоборот, удобно иметь большую поверхность, чтобы хоть как-то охлаждаться.
Объяснение: когда организм увеличивается в размере, растет его объем и растет его поверхность - все растут, но с разной скоростью . Поверхность отстает - растет медленнее, чем объем , поэтому у больших северных зверей поверхность относительно маленькая. Это нужно им все для того же - чтобы отдавать меньше тепла.
Пример: полярный волк - самый крупный из всех волчьих, белый медведь - из всех медведей, росомаха - из всех куньих, лось - из всех оленей, глухарь - из всех тетеревиных.
А почему же такие большие звери, как слон и бегемот, живут на юге?
Потому, что там достаточно растительности, чтобы они могли прокормиться. - Но при этом им очень жарко. Бегемот постоянно сидит в воде, слон охлаждается с помощью своих громадных ушей. (Мамонты, жившие в умеренном климате, размера были такого же, как современные слоны, но при этом имели нормального размера уши и шерсть, как положено млекопитающим.)
Травоядные животные, живущие на севере, крупнее своих южных сородичей, потому что северная трава отличается большей питательной ценностью, считают ученые. Неожиданное объяснение правила Бергмана удалось подтвердить экспериментально.
Карл Георг Лукас Кристиан Бергман -- немецкий биолог, физиолог и анатом, долгое время занимался сравнительной анатомией. Но известность ему принесло именно описание экогеографической закономерности, которую впоследствии назвали его именем. Знаменитая фраза из книги Бергмана «О связи экономии тепла у животных с их размерами», которая вышла в 1847 году, звучит так: «Если существует род, виды которого отличаются только величиной, тогда более мелкие виды этого рода будут тяготеть к более теплому климату, причем в точном соответствии с их массой».
Как работает правило Бергмана?
Многие ученые, действительно, подтверждают, что такая закономерность существует. Правда, вопрос «почему» долгое время оставался без ответа. Сейчас эту закономерность ученые объясняют особенностями терморегуляции теплокровных животных. Дело в том, что теплопродукция пропорциональна объему тела, а теплоотдача -- площади его поверхности. Соответственно, отношение площади поверхности к объему меньше у крупных животных. Поэтому в холодных северных широтах выгоднее быть крупным, чтобы больше производить тепла и меньше его отдавать, а в южных – наоборот.
Доктор Чуань-Кай Хо (Chuan-Kai Ho) из Хьюстонского Университета вместе со своими коллегами предложил совершенно новое неожиданное объяснение правила Бергмана, которое, впрочем, несомненно, вызовет у ученых еще множество вопросов. Доктор Хо, не исключая, правда, и традиционного объяснения, предположил, что размеры тела животных во многом зависят от того, какую пищу они едят. Согласно гипотезе доктора Хо, растительность северных широт имеет большую питательную ценность, поэтому растительноядные животные, поедающие эти растения, отличаются более крупными размерами тела.
Северные растения более питательные
Ученые решили проверить предположение доктора Хо экспериментально. Подопытными образцами выступали широко распространенные насекомые Prokelisia от подотряда грудохоботных (Archaeorrhyncha ) и моллюск аплизия (Aplysia ) (морской заяц).По словам ученых, хотя эти виды холоднокровные, правило Бергмана на их примере тоже работает – самые крупные экземпляры встречаются в более северных широтах, а самые маленькие -- в южных.
Насекомых и моллюсков выращивали в лабораторных условиях, а кормили исключительно растениями Spartina anglica . Сами растения ученые собирал в разных широтах Северной Америки (в тундровой и лесной зоне). Через определенное время, когда моллюски и насекомые достигли зрелости, доктор Хо измерил размеры их тела. По словам авторов работы, насекомые, получавшие выросшую в тундре траву, оказались на 8% больше, чем их сородичи, питавшиеся травой из умеренной зоны. Что касается моллюсков, то размер особей, питавшихся северными травами, оказался больше на целых 27%. Этому может быть единственное объяснение – разная питательная ценность трав, растущих в разных условиях, считает доктор Хо.
«Мы не считаем, что это единственно возможное объяснение правила Бергмана. Но наше исследование показывает, что для объяснения механизма его работы недостаточно лишь знания особенностей физиологических реакций на разную температуру окружающей среды. Важно еще учитывать и экологические взаимосвязи животных со средой их обитания», -- говорит доктор Хо.
Почему растения, растущие в высоких широтах, более питательные, ученые ответить пока затрудняются, и делают лишь предположение. Один и авторов исследования -- доктор Стивен Пеннингс в своих предыдущих работах показал, что растения северных широт менее подвержены нападкам со стороны насекомых. Возможно, именно поэтому, предполагают авторы работы, южные растения тратят больше энергии на химическую защиту от насекомых, а более низкая их питательная ценность – это тоже своеобразный защитный механизм от прожорливых насекомых.
Статью доктора Хо «Is Diet Quality an Overlooked Mechanism for Bergman`s Rule» можно найти в февральском номере журнала The American Naturalist.
