Готовый перевод RICHARD DAWKINS --The Ancestor's Tale / РИЧАРД ДОКИНЗ -- Рассказ Предка: The Cauliflower''s Tale / Рассказ Цветной Капусты

Рассказ Цветной Капусты.
(Написан с Йеном Вонгом)

Предполагается, что рассказы в этой книге будут не только о личных заботах рассказчика.

Как и у Чосера, они позволяют поразмышлять о жизни вообще, в его случае -- о человеческой жизни, в нашем -- о жизни.

Что может рассказать цветная капуста громадному скоплению пилигримов на великой встрече после Рандеву 36, когда растения присоединяются к животным? Важный принцип, который применим к любому животному и любому растению.

Его можно рассматривать как продолжение "Рассказа Умельца".

"Рассказ Умельца" был о размере мозга, и он сыграл важную роль в логарифмическом представлении графиков распределения величин для сравнения разных видов.

Более крупные животные, казалось, имели пропорционально меньший мозг, чем мелкие животные.

А именно, наклон двойного логарифмического графика зависимости массы мозга от массы тела был почти в точности 3/4.

Он оказался, как вы помните, между двумя интуитивно понятными наклонами: 1/1 (масса мозга прямо пропорциональна массе тела) и 2/3 (площадь поверхности мозга пропорциональна массе тела).

Наблюдаемый наклон логарифма массы мозга в зависимости от логарифма массы тела оказался не просто неопределенно выше 2/3, но меньше 1/1.

Он был равен точно 3/4.

Такая точность данных, кажется, требует такой же точности от теории.

Можем ли бы найти обоснование для наклона 3/4? Это непросто.

Вдобавок к проблеме, а может быть, как намек нам, биологи давно заметили, что многое другое, помимо размера мозга, следует этому точному соотношению 3/4.

В частности, потребление энергии различными организмами - скорость метаболизма - следует правилу 3/4, и оно было возведено в статус естественного закона, закона Клайбера, даже притом, что для него не было никакого общепризнанного обоснования.

График выше представляет логарифм скорости метаболизма относительно логарифма массы тела ("Рассказ Умельца" дает обоснование для графика в логарифмическом масштабе по обеим осям).

По-настоящему удивительно в законе Клайбера то, что он хорошо выполняется от мельчайших бактерий до крупнейшего кита.

Это приблизительно 20 порядков величины.

Вам понадобиться перемножить 20 раз по десять или добавить 20 нулей, чтобы добраться от мельчайшей бактерии до крупнейшего кита, и закон Клайбера справедлив повсюду.

Он также работает для растений и одноклеточных организмов.

Диаграмма показывает, что лучшее соответствие получено на трех параллельных линиях.

Одна линия для микроорганизмов, вторая для крупных холоднокровных существ ("крупных" здесь значит что-либо тяжелее одной миллионной доли грамма!) и третья для крупных теплокровных существ (млекопитающие и птицы).

Все три линии имеют один и тот же наклон, но они расположены на разной высоте: неудивительно, теплокровные существа имеют более высокую скорость метаболизма для соответствующих размеров, чем у холоднокровных.

Годами никто не мог придумать действительно убедительного объяснения закону Клайбера, пока не был представлен образец блестящей совместной работы между физиком Джеффри Вестом (Geoffrey West) и двумя биологами Джеймсом Брауном и Брайеном Энквистом (James Brown and Brian Enquist).

Их вывод точного закона 3/4 - шедевр математической магии, которую трудно перевести в слова, но он так гениален и важен, что попытка того стоит.

Теория Веста, Энквиста и Брауна, далее WEB, исходит из факта, что ткани крупного организма имеют проблему снабжения.

Именно этому всецело посвящена кровеносная система животных и сосудистые трубочки растений: транспортировке веществ к тканям и от тканей.

Маленькие организмы не сталкиваются с этой проблемой до такой степени.

У очень маленького организма настолько большая площадь поверхности в сравнении с его объемом, что он может доставить необходимый кислород через стенку тела.

Даже если он и многоклеточный, ни одна из его клеток не удалена слишком далеко от стенки его тела.

Но у крупного организма есть проблема транспортировки, поскольку большинство его клеток далеко от ресурсов, в которых они нуждаются.

Они должны перекачивать вещество из одного места в другое.

Насекомые буквально закачивают воздух в свои ткани по ветвящейся сети трубочек, называемых трахеями.

У нас тоже есть сильно ветвящаяся сеть воздушных трубочек, но они ограничены специальными органами, легкими, с соответственно сильно ветвящейся сетью кровеносных сосудов, чтобы передавать кислород из легких к остальным тканям тела.

Рыбы делают нечто похожее жабрами: органами, с обширной поверхностью, призванной увеличить поверхность контакта между водой и кровью.

Плацента делает то же самое для материнской крови и крови плода.

Деревья используют свои сильно разделяющиеся ветви для снабжения листьев водой, доставленной из земли, и перекачки сахаров в обратном направлении, от листьев к стволу.

Эта цветная капуста, только что купленная у местного зеленщика и разрезанная пополам, показывает, как выглядит типичная система транспортировки веществ.

Вы можете видеть, как много усилий прилагает цветная капуста для обеспечения сети снабжения своей поверхности из "цветковых бутонов".

Теперь мы можем представить, что такие питающие сети - воздушные трубки, кровеносные сосуды, трубки с растворами сахаров или чего-либо еще - могли бы отлично компенсировать увеличенный размер тела.

Если бы это было так, то типичная клетка скромной цветной капусты снабжалась бы точно так же хорошо, как типичная клетка гигантского красного дерева, и скорость метаболизма этих двух клеток была бы одинаковой.

Поскольку количество клеток в организме пропорционально массе, график распределения общей скорости метаболизма относительно массы тела с обеими осями в логарифмическом масштабе попадал бы на прямую с наклоном 1.

Но то, что мы в действительности наблюдаем - это наклон 3/4.

Маленькие организмы имеют более высокую скорость метаболизма, чем они "должны были бы" иметь для своей массы, по сравнению с крупными организмами.

Это значит, что скорость метаболизма клетки цветной капусты выше, чем скорость метаболизма аналогичной клетки красного дерева, а скорость метаболизмы мыши - выше, чем скорость метаболизма кита.

На первый взгляд это кажется странным.

Клетка - это просто клетка, и вы можете подумать, что есть идеальная скорость метаболизма, которая одинакова для цветной капусты и красного дерева, мыши и кита.

Вероятно, так и есть.

Но сложность доставки воды, или крови, или воздуха, или какого угодно вещества, похоже, устанавливает преграду для достижения этого идеала.

Должен быть компромисс.

WEB теория объясняет компромисс и то, почему он приводит к наклону строго 3/4, и делает это в точных количественных деталях.

Теория состоит из двух ключевых моментов.

Прежде всего, ветвящееся дерево трубок, снабжающих веществами заданный объем клеток, само занимает некоторый объем, соперничая за пространство с клетками, которые оно обеспечивает.

К концам питающей сети трубки сами по себе занимают уже значительное пространство.

И если вы удвоите количество клеток, которые вам нужно снабжать, объем сети более чем удваивается, поскольку больше трубок нужно для сопряжения сети в основную систему, трубок, которые сами занимают место.

Если вы хотите удвоить количество снабжаемых клеток, только лишь удвоив пространство, занимаемое трубками, вам понадобится более разреженная связывающая сеть.

Вторым ключевым моментом является то, что кит вы или мышь, наиболее эффективная система транспорта - которая для перемещения веществ тратит впустую минимум энергии - та, что занимает фиксированную долю объема вашего тела.

Так получается математически, и это также эмпирически наблюдаемый факт.

Например, млекопитающие, будь то мыши, люди или киты, имеют объем крови (т.е. размер транспортной системы), составляющей от 6 до 7 процентов их тела.

Сводя эти два момента вместе, получаем, что, если мы хотим удвоить объем снабжаемых клеток, но сохранить максимально эффективную транспортную систему, нам понадобится более редко распределенная питающая сеть.

А более разреженная сеть означает, что меньше поставляемого вещества приходится на клетку, и что скорость метаболизма должна снизиться.

Но насколько именно она должна снизиться? WEB вычислили ответ на этот вопрос.

Дивно сказать, математика предсказывает прямую линию с наклоном ровно 3/4 для графика зависимости логарифма скорости метаболизма от логарифма размера тела! Более недавние работы расширили исходную теорию, но существенные аспекты по-прежнему сохранились.

Закон Клайбера, будь то у растений, животных, или даже на уровне внутриклеточного транспорта, наконец-таки нашел обоснование.

Он может быть выведен из физики и геометрии питающих сетей.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/15220/52752

Переводчики: Dawkinsian, cosinus