Загадки эволюции: Размеры животных зависят от климата

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

Ссылка на источник