Физика для абитуриента. Рефераты по физике. Сила трения.
Рефераты и доклады по физике и биологии. Как физические законы определяют размеры живых организмов
О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт
Приёмная комиссия.
Вступительное задание.
Открытые уроки.
Учебники по физике.
Задачи по физике.
Справочник по физике.
Вопросы и консультации.
Рефераты.
Олимпиады и турниры.
Современная физика.
Весёлая наука.
Уголок крохобора.
Не только физика.
Директория ссылок.
Репетиторы.

Форум.

info@abitura.com

Рефераты и доклады по физике и биологии.
Как физические законы определяют размеры живых организмов.

Многие из нас в детстве читали о Гулливере, о его приключениях сперва в королевстве Лилипутии, а затем в королевстве Бробдингнег. В Лилипутии все предметы, звери, растения были совершенно такими же, как в нашем мире, но в двенадцать раз меньше. Зато в королевстве Бробдонгнег все было в двенадцать раз больше, чем в привычном нам мире. Жизнь в обоих королевствах протекала так же, как в нашем мире в восемнадцатом веке, когда Джонатан Свифт писал свое “Путешествие Гулливера”. Но могут ли в земных условиях существовать на самом деле Лилипутия и Бробдингнег? Почему человек не стал великаном? Что определяет размеры живых существ? Оказывается, физика прочности, теплофизика и молекулярная физика могут ответить на эти вопросы.

Почему человек не стал великаном?

Мы живем в мире, где действует тяготение. И размеры всего живого (и не только живого) на Земле так или иначе связаны с тяготением. А как оно сказалось бы на лилипутах и бробдингнегах? Геометрически оно подобны Гулливеру, т.е. обычному человеку, только все их линейные размеры у первых уменьшены в 12 раз, а у вторых - во столько же раз увеличены. Вес тела пропорционален его объему, поэтому вес великана из книги Свифта будет в 123 @1700 раз больше веса Гулливера, а вес лилипута – во столько же раз меньше. Значит, если обычный человек весит, скажем, 600 Н, то великан будет весить около 1 000 000 Н. Какой же скелет выдержит такой вес?

Это зависит от прочности костей. Прочность на сжатие пропорциональна площади поперечного сечения, т.е квадрату линейных размеров. Так что кости великана будут только в 144 раза прочнее костей человека, и потому напряжение в костях будет в 12 раз больше, чем у человека. Это, кстати, понимал еще Галлилей. Вот что он писал: “Если бы кто-нибудь пожелал бы сохранить в громадном великане те же пропорции конечностей, что и у обыкновенного человека, то он должен был бы подыскать более твердый и более прочный материал для костей или согласиться на меньшую крепость великана по сравнению с человеком среднего роста; если бы великан был необыкновенно большой высоты, то он бы упал и был бы раздавлен собственной тяжестью”. Это знают все люди, занимающиеся единоборствами. Спортсмены-дзюдоисты легких весовых категорий выполняют сложные броски, в то время как тяжеловесы заканчивают свои схватки в основном удержанием, то есть ложатся на противника и придавливают его своим весом.

Теперь понятно, почему на суше нет животных крупнее слона. А вот в океане живут и гораздо более крупные животные. В среде, где тяготение хотя бы частично компенсируется действием других сил, животные могут достигать огромных размеров. Поэтому в океане и развились такие гигантские млекопитающие, как китообразные, масса которых во много раз превышает массу самых крупных животных, обитающих на суше. Так, масса слона достигает 6 тонн, а масса кита может достигать 100 тонн. Кстати, если сравнить кости близких по строению животных разных размеров, например, льва и кошки, то окажется, что кости льва не являются увеличенной копией костей кошки. В них нарушен масштаб изменений, они гораздо толще, чем полагалось бы при их длине.

Итак, существование великанов невозможно, и причиной этого является тяготение. Но у лилипутов, с точки зрения прочности скелета, все обстоит благополучно. Более того, у них даже имеется двенадцатикратный запас прочности. Выходит, чем меньше живое существо, тем оно прочнее. Это так. Мой кот выпрыгнул в окно с 6-го этажа и не разбился. Почему же не существует теплокровных животных меньше, чем землеройка?

Теплофизика теплокровных.

Теплокровных животных, в том числе и человека, нельзя рассматривать как чисто механическую систему. При довольно значительных колебаниях температуры внешней среды теплокровные практически сохраняют постоянную температуру тела (за исключением состояния анабиоза, в которое в зимнее время впадают некоторые животные, например медведи и сурки). Постоянство температуры тела является важнейшим условием существования высокоорганизованной жизни. Мы все время излучаем тепло, теряем его при выдыхании нагретого в легких воздуха, или при испарении влаги с поверхности тела, расходуем на совершение работы. Потерянную энергию мы восполняем пищей. Экспериментально установлено, что по отношению к живым организмам справедливо первое начало термодинамики, иначе говоря – закон сохранения энергии.

В теле животного при окислении пищевых продуктов освобождается такое же количество энергии, как и при сжигании этих продуктов до тех же конечных веществ вне организма. Только около трети химической энергии переваренной нами пищи превращается в мышечную энергию, большая же часть тратится на другие нужды – поддержание постоянной температуры тела, питание, и возобновление тканей, образование жировых отложений (“сберегательного банка” организма на случай голода или болезни). Любое превращение энергии в организме – будь то пищеварение или мышечная деятельность – завершается превращением в тепло. Это тепло непрерывно уходит в окружающую среду. Устанавливается тепловой баланс между организмом и окружающей средой.

Размеры животного имеют самое непосредственное отношение к этому тепловому балансу. Образование тепла более или менее равномерно происходит в объеме тела, т.е. пропорционально кубу линейных размеров. А теплоотдача происходит в основном через поверхность тела, и потому она пропорциональна квадрату линейных размеров. К чему это может привести? Если одно животное крупнее другого в 10 раз, то при равной скорости образования тепла крупное животное должно генерировать в 1 000 раз больше тепла, чем мелкое, а теплоотдача у крупного животного больше всего в 100 раз. Крупное животное может просто “зажариться” в собственной шкуре. Природа, правда, предусмотрительно “позаботилась” о том, чтобы этого не случилось. У крупных животных обмен веществ протекает менее интенсивно и скорость образования тепла в теле у них меньше. А поскольку тепло в организме млекопитающих образуется в результате окисления пищи, то мерой образования тепла может служить потребление кислорода. Оказывается, мелкие животные потребляют в минуту объем воздуха, который близок к объему их тела, а чем животное крупнее, тем меньшую часть их собственного объема составляет объем вдыхаемого ими воздуха. Поэтому чем меньше животное, тем интенсивнее протекает у него обмен веществ, тем больше частота дыхания и сердцебиения.

С уменьшением размеров животного возрастает не только интенсивность образования тепла, но и интенсивность потерь. Это связано с тем, что с уменьшением размеров тела возрастает роль поверхности по сравнению с объемом. Потери тепла восполняются в процессе химических реакций в организме. Поэтому для поддержания температуры тела, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность, меньшее животное нуждается в большем количестве пищи на единицу массы тела. Мелкие животные все время испытывают чувство голода и жажды. Это делает их беспокойными и подвижными, много времени они проводят в поисках пищи. Такое поведение как раз характерно для мелких теплокровных, например грызунов. Поэтому не существует теплокровных, меньших, чем землеройка, питающаяся насекомыми, меньшие теплокровные просто не успевали бы запасать и переваривать пищу.

Как нагляднее представить себе мощности и удельные мощности живых организмов? Сравним их с Солнцем.

Поток энергии, идущий от Солнца, колоссальный. На Земле от Солнца на каждый квадратный метр, расположенный перпендикулярно солнечным лучам, поступает ежесекундно 1,4 кДж. Эту величину называют солнечной постоянной и обычно обозначают буквой I. Зная, что I = 1,4 кДж/(м2.с) = 1,4 кВт/м2, нетрудно найти полную мощность излучения Солнца Р1 (Р1 называют также полным потоком энергии Солнца, тогда I можно определить как плотность потока солнечной энергии на расстоянии от Солнца, равном радиусу орбиты Земли R). Очевидно, что

Р1 = I.4p R2 @ 4.1026 Вт.

Люди, не занимающиеся тяжелым трудом, должен получать с пищей ежедневно примерно 12 МДж. Почти вся эта энергия идет на поддержание постоянной температуры тела о в конечном счете излучается человеком в окружающее пространство. Лишь очень малую часть получаемых12 МДж человек расходует на совершение механической работы. Разделив 12 МДж на длительность суток (86400 с ), получим

Р2 » 140 Вт.

Таким образом, как генератор энергии Солнце примерно в 3.1024 раз мощнее человека. Тем неожиданнее результат сравнения их удельных мощностей. Масса М Солнца составляет примерно 2.1030 кг, массу m человека примем равной 80 кг. Тогда

Р1: М = 2.10-4 Вт/кг, Р2: m = 1,75 Вт/кг

удельная мощность человека оказывается почти в 10 000 раз больше, чем у Солнца.

Результат, к которому мы пришли, кажется на первый взгляд совершенно неправдоподобным. Однако так и есть на самом деле. Как же объяснить этот “парадокс”? Почему Солнце – этот гигантский термоядерный реактор – проигрывает по удельной мощности человеку, энергию которому поставляют химические реакции, куда более “слабосильные”, чем ядерные?

Ответ можно получить, если принять, что тепло в человеческом теле и в Солнце выделяется более или менее равномерно по всему объему. Тогда скорость выделения тепла будет пропорциональна объему тела, иными словами – кубу линейного размера. Скорость же теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела, т.е. квадрату линейного размера. Стало быть, чем больше тело, тем меньше может быть скорость выделения тепла, необходимая для поддержания некоторой заданной температуры.

Объем Солнца порядка 1027 м3, площадь его поверхности около 1018 м2. Соответствующие параметры тела человека – 10-1 м3 и 1 м2. Таким образом, отношение объемов Солнца и человека равно приблизительно 1028, а отношение площадей поверхности этих тел порядка 1018. Т.е. на единицу объема Солнца приходится приблизительно в 10 миллиардов раз меньше свободной поверхности, чем у человека. Поэтому не удивительно, что, несмотря на то, что солнечный “обмен веществ” протекает со скоростью всего лишь 0,2 мВт/кг, температура на поверхности Солнца достигает 6 0000С.

Проиллюстрируем связь между размерами, темпом энерговыделения и температурой тел следующими примерами из жизни животных.

Температуры тел млекопитающих отличаются не особенно сильно. В частности, они примерно одинаковы и у слона, и у маленькой полевой мышки. Однако скорость выделения тепла в организме слона примерно в 30 раз меньше. Если бы внутри тела слона выделение тепла происходило с такой же скоростью, как у мыши, то выделяющееся тепло не успевало бы покинуть организм слона достаточно быстро, чтобы сохранилась нормальная температура, и слон бы “зажарился” в собственной шкуре.

Самые маленькие млекопитающие на Земле – этрусские мыши – имеют массу всего 1,5 г, а съедает за сутки в два раза больше. Если оставить этрусскую мышь без пищи хоть на несколько часов, она погибнет. Практически весь период бодрствования заняты поисками и поглощения еды колибри, крошечные птицы весом около 2 г. Длительный ночной перерыв в этом занятии колибри могут переносить только потому, что температура их тела на это время резко снижается.

Можно показать, что очень маленькие существа, комар, например, не могут быть теплокровными. Для простоты будем считать, что комар имеет форму цилиндра с диаметром d = 0,5 мм и длиной l = 4 мм. В таком случае площадь поверхности S и объем V его тела равны, соответственно,

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологииреферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии.

Оценим мощность, “генерируемую” комаром. Тело, имеющее температуру Т, передает в окружающее пространство, где температура Т0 (Т реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологииТ0), тепловую мощность

P = a SD T.

Если тепло передается за счет излучения, а разность температур D= Т – Т0 мала по сравнению с температурой Т, то коэффициент a пропорционален Т3; при комнатных температурах a@2 – 5 Вт/(м2.град) (в зависимости от отражательной способности тела). Предположив, что температура тела комара 300С (Т = 303 К), и взяв a = 4 Вт/(м2.град), найдем что при температуре окружающей среды 170С (Т0 = 290 К) комар излучает тепловую мощность Р @10-3 Вт. Приняв плотность вещества тела комара равной плотности воды, найдем массу комара: m @ 10-6 кг. Стало быть, удельная мощность комара составляет 10-3Вт/10-6кг = 103Вт/кг, т.е. примерно в 600 раз больше, чем у человека (и в 6 миллионов раз больше, чем у Солнца!). Если человек поглощает в сутки около 1 кг пищи, т.е. примерно 1/80 часть от своей массы, то масса пищи комара должна бы превышать его собственную в 600/80 = 7,5 раза. Фактически мы получили заниженные цифры, так как при оценке не учитывалось тепло, отдаваемое за счет конвекции. Температура окружающего воздуха чаще оказывается значительно ниже 170С, а при 70С (обычно комары достаточно активны и в этих условиях) энергозатраты возрастают почти в два раза, так что поглощать пищу комару пришлось бы уже в 15 раз больше своей массы. Поэтому ясно, что поддерживать постоянную температуру своего тела (т.е. быть теплокровным) комар не может.

Споры о том, какими динозавры были внутри - "горячими" или "холодными", как современные рептилии, -- давно ведутся учеными. Биологи из Флориды полагают, что наконец нашли ответ на этот вопрос. Они вывели уравнение о соотношении температуры, уровня метаболизма и массы тела, которое работает для всех живых существ. А потом применили его к восьми видам динозавров массой от 12 кг до 13 тонн. Выяснилось: чем больше был ящер, тем выше была температура его тела. Мелкие динозавры, подобно современным пресмыкающимся, "нагревались" до 25 С, а, к примеру, 13-тонный бронтозавр - до 41 С. Ученые считают, что гигантам приходилось постоянно искать место в тени, чтобы охладиться. А вот детеныши бронтозавров, как обычные ящерицы, выползали погреться на солнце.
В целом, считают биологи, размеры динозавра были ограничены именно температурой его тела. В жилах одного из зауроподов, например, судя по его грандиозной массе, тек "кипяток" в 48 градусов - предел, за которым наступает разложение тканей.

Размер клеток животных и молекулярная физика.

Земная фауна чрезвычайно разнообразна. Но, оказывается, есть параметры, которые слабо меняются в широком диапазоне изменений масс животных. Назовем подобные параметры зоологическими постоянными. Их краткий список для млекопитающих приведен в таблице 1. 

Таблица 1

Диаметр клетки dкл »10 – 20 мкм
Отношение продолжительности жизни 

и сердечного цикла

tж/tс » 109
Отношение продолжительности

дыхательного и сердечного циклов

tд/tс » 4
Температура тела Тт »37 –380С
Масса органа (по отношению к массе тела mт):

сердца

легких

крови

скелета

мышц

mс/mт » 0,6%
mс/mт » 0,6%
mл/mт » 5%
mск/mт » 6%
mм/mт » 40%

Обратим все внимание на размер клеток животных. Будим искать ответ на два вопроса:

  • почему средний диаметр клеток млекопитающих dкл составляет 10 –20 мкм, а не, скажем, 1 или 100 мкм;
  • почему dкл примерно одинаков для всех млекопитающих при огромном различии их масс (разброс достигает миллионов)?
При оценке характерного диаметра клетки испробуем несколько подходов.

Геометрический подход.

Начнем с оценки, вообще не использующей информации о структуре и функциях клетки.

Клетка должна быть много больше размера атома (»10-10 м) и много меньше “человеческого” размера (» 1 м). Первое позволяет пренебречь квантовыми эффектами, второе – построить из клеток, как из кирпичей, сложное сооружение живого организма с разнообразными функциями.

Среднее геометрическое между “атомным” и “человеческим” масштабами удовлетворяет указанным требованиям и дает правильный порядок величины:

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологиим,

но мало что проясняет. К тому же, если подставить в это соотношение характерные размеры землеройки и слона, то получим 2 и 20 микрон соответственно, т.е. существенное различие размеров.

Итак, без знания строения клетки, хотя бы примитивного, не обойтись.

“Конструкторский” или “кулинарный” подход.

Попробуем сконструировать клетку млекопитающего из простейших составных частей и прикинем ее размеры.

Вспомним, с каким объектом мы имеем дело. Клетка – это элементарная единица живого. Основная информация, как о самой клетке, так и об организме в целом, хранится в ядре и записана на спирали ДНК. С помощью РНК происходит обработка этой информации, синтез белков и других необходимых клетке веществ. Необходимая энергия для синтеза накапливается в митохондриях. Среда, в которой протекают клеточные процессы – вода. А мембраны как отделяют одни клетки от других, так и разделяют внутренние части клетки.

Начнем с ДНК. Некоторые ее параметры приведены в таблице 2. Согласно этим данным, длина ДНК для разных млекопитающих находится в диапазоне

(1 –5).109х3,4.10-10 »0,3 –2 м,

а масса – в диапазоне

1,67.10-27х500х(1 – 5).109 » (0,8 – 4).10-15 кг.

Таблица 2.

Диаметр двойной спирали 2.10-9 м
Расстояние вдоль спирали между

соседними парами оснований

3,4.10-10 м
Количество пар нуклеотидов в клетке

Млекопитающих

(1 – 5).109
Массы пары нуклеотидов в атомных

единицах массы

 

» 500

Какой объем может занимать такая ДНК? Очень плотная намотка ДНК в клубок с зазором между отдельными слоями порядка расстояния между основаниями (т.е. 4.10-10 м) приводит к объему клубка

V » 2.10-9х4.10-10х(1 – 5).109х3,4.10-10 » (0,3 – 1,4).10-19 м3

и характерному линейному размеру

d » V »0,7 – 1,1 мкм.

Плотность такого образования оказывается »3.103 кг/м3.Полученные цифры вызывают некоторые сомнения: поскольку плотность получившегося ядра существенно превосходит плотность воды, то ядро может “погрузиться на дно” клетки, если его специально не удерживать вблизи ее центра;

  • ДНК – не плоская структура, а спираль, и ее так плотно не намотать;
  • Размотать быстро такой длинный клубок невозможно.
Эти соображения наводят на мысль, что намотка ДНК должна быть рыхлой. Разумно предположить, что средняя плотность клубка ДНК в объеме, ограниченном мембраной, должна быть близка к плотности воды, при этом ядро более свободно “плавает” в клетке. В таком случае объем ядра клеток млекопитающих »(0,8 – 4).10-18 м3 и диаметр соответствующего шара » 1,2 – 2 мкм. Мембрана, ограничивающая ядро, довольно тонка (»10-8 м) и практически толщину не увеличивает.

Теперь добавим остальное. Масса РНК, своеобразной “прислуги” ДНК, должна, по-видимому, превосходить массу “хозяйки” - ДНК. А масса “обстановки” (синтезированный с помощью ДНК и РНК белок и другие составляющие клетки) должны быть существенно больше массы РНК. Примем для оценки, что соотношение масс белка и ДНК масштаба 10:1. Все это содержимое, ограниченное мембранами, должно плавать в воде. Положим, что воды по объему вчетверо больше, чем остального содержимого клетки.

В итоге минимальный объем клеток млекопитающих должен быть

Vкл min » (0,3 – 1,6).10-16 м3,

а соответствующий диаметр сферы – 

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии.

Таким образом, млекопитающих с диаметром меньше четырех микрон быть не может. Это уточняет нашу первую, геометрическую оценку.

Кроме того, “конструкторский”, или “кулинарный” подход дает частичный ответ на оба главных вопроса, поставленных нами:

  • разброс минимальных диаметров клеток невелик, всего около двойки для всех млекопитающих (в то время как длины ДНК отличаются в 5 раз);
  • диаметр клетки млекопитающего не 1 микрон, а гораздо больше.
В заключение “кулинарного” подхода приведем рецепт одной из реальных клеток животных. На 100 частей живой клетки надо взять (по весу):

воды – 84 части,

белков – 7 частей,

углеводов и липидов – по 4 части,

РНК и ДНК по 0,7 и 0,3 части соответственно.

Объем такой клетки 4.10-15 м3, диаметр 20 мкм и масса 3,5.10-12 кг.

Конвекция и диффузия

Рассмотрим одну из важнейших функций клетки – обмена с внешней средой. Для обеспечения жизнедеятельности клетки нужно подводить к ней кислород, “топливо”, отводить углекислый газ, продукты синтеза и “шлаки”.

Отметим, что не только характерный размер клеток животных, но и диаметры эритроцитов и капиллярных сосудов примерно одинаковы. Так, размер эритроцитов, участвующих в газообмене с клетками, меняется для млекопитающих в диапазоне 5-10 микрон. Диаметр капилляров составляет 3 – 30 микрон. Близость этих величин имеет глубокую природу. А именно: на расстояниях порядка 10 микрон происходит изменение характера движения вещества в организме. Рассмотрим этот подход к оценке характерного размера клеток, эритроцитов и капилляров более подробно.

Как обеспечить быструю доставку веществ к множеству клеток? Один из путей – организация направленного движения вещества потоком крови, т.е. конвекции. В теле животных так переносится кровь по сосудам. Конвекция весьма эффективна при движении по крупным сосудам. По мере удаления от сердца и приближении к “потребителям” (клеткам) сеть сосудов становится все разветвленнее, а их диаметр уменьшается. При этом должна снижаться скорость перемещения крови по сосудам. Причина в том, что при движении вязкой жидкости по сосуду ее давление падает, причем потери давления пропорциональны скорости жидкости и длине сосуда и обратно пропорциональны площади ее сечения.

Для того чтобы потери давления не были слишком велики, в противном случае жидкость сквозь такой канал просто не потекла, скорость потока должна убывать по мере уменьшения диаметра сосуда. То же касается и длины сосуда. Эти тенденции действительно реализуются в кровеносной системе животных. В качестве примера на рисунке 1 приведена зависимость средней скорости крови от диаметра кровеносных сосудов у человека. Эта зависимость имеет примерно линейный характер:

Vк » (20 –100)d.


 
 














Рис. 1. Зависимость скорости движения крови по кровеносным сосудам человека от их диаметра.

Таким образом, по мере уменьшения диаметра кровеносных сосудов течение все больше замедляется. В некотором смысле эффективность конвекции при небольших значениях диаметра канала падает.

Теперь обратимся к диффузии.

Диффузия – это перемещение вещества за счет случайного блуждания его молекул. Двигаясь хаотически, молекула то удаляется от начальной точки, о приближается к ней. При этом оказывается, что среднее расстояние от начальной точки пропорционально не времени, а реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии:

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии,

где введенный таким образом коэффициент D называют коэффициентом диффузии. Выразив время t, найдем среднюю скорость распространения диффузионного процесса на расстояние d:

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии.

Таким образом, на больших расстояниях процесс диффузии замедляется, на малых же он очень эффективен.

Сопоставление формул для скорости Vк конвективного и скорости VД диффузионного процессов дает нам некоторый характерный размер d0 (рис. 2):

реферат по физике, реферат по биологии, доклад по физике, доклад по биологии,

при котором скорости обоих процессов сравниваются.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 2. Вид зависимости скорости Vк и VК от характерного размера d.

Коэффициент диффузии веществ в воде имеет порядок D » 10-9 м2/с, поэтому d0 »3 – 7 мкм. Это и есть масштаб размеров капилляров, клеток и эритроцитов. Иначе говоря, до величины d0 происходит конвективное движение вещества, после – диффузионное всасывание.

Новая оценка практически совпала с “кулинарной”. Это подтверждает наши прежние оценки. Отличие 3 –7 микрон (оценка) от 10 –20 микрон (реальный размер клеток) может быть объяснено упрощенным характером подхода.

В заключение – несколько кратких пояснений к другим строчкам таблицы 1. Природа части из них в настоящее время еще не вполне ясна.

1. Ресурс сердца масштаба миллиарда ударов за время жизни. Эта цифра хорошо соответствует данным для млекопитающих. Для человека она, казалось бы, дает заниженную оценку – при периоде пульсаций сердца человека, равным примерно секунде, миллиарду соответствует 30 лет. Реальная продолжительность жизни людей в настоящее время в 2 – 3 раза больше. Сто лет назад она была близка к “табличной” (т.е. 30 лет) – в основном из-за эпидемий, высокой детской смертности и худших условий жизни и труда. Сейчас среди млекопитающих только человеку удалось подняться немного над статистикой.

Частота пульсаций сердца уменьшается с ростом массы тела. Так, сердце 30-граммовой мыши совершает 600 ударов в секунду, и продолжительность ее жизни составляет примерно 3 года. Для слона это примерно 30 ударов в минуту и 60 лет соответственно.

2. Сам ресурс сердца необычайно велик. Среди движущихся механизмов в неживой природе соперничать с ним смогут, пожалуй, только часы, да и те, в отличие от сердца, нуждаются в периодической чистке и починке.

3. Три последние позиции таблицы 1 отражают некоторые оптимальные соотношения, отработанные в ходе эволюции.

Так, в случае с температурой ее повышению соответствует быстрый рост активности ферментов – катализаторов обменных реакций. Но при температуре 40 – 450С начинается денатурация белков. Поэтому 37 – 380С – наилучшая температура для работы ферментов у наземных млекопитающих.

Отношение длительности дыхательного и сердечного циклов, равное tд/tс »4 для всех млекопитающих, должно следовать из того очевидного факта, что эритроциты крови разносят кислород от органов дыхания и возвращают обратно углекислый газ. Поэтому сердечный и дыхательные циклы должны быть жестко связаны. Однако эта связь не прямая.

Причина постоянства относительной массы сердца, легких, мышц и некоторых других органов еще менее ясна. Часть из них (это относится к мышцам и костям скелета) может быть в принципе объяснена тем, что животные должны передвигаться в поисках пищи. В то же время относительная масса других важных органов: почек, печени и в особенности мозга растет по мере уменьшения размеров тела.
 
 










Использованная литература:

Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? – М.: Мир, 1987.

Глазер Р. Очерки основ биомеханики. - М.: Мир, 1988.

Вилли К., Детье В. Биология (биологические процессы и законы). – М.: Мир, 1974.

Мелвин-Хьюз Е.А. Равновесие и кинетика реакций в растворах. – М.: Химия, 1975.

Де Дюв К. Путешествие в мир живой клетки. – М.: Мир, 1987.

Ланге В., Ланге Т. Об удельной мощности человека и Солнца, или почему у комара “холодная кровь”. – “Квант”, №4, 1981.

Сигаловский Д. Почему человек не стал великаном. – “Квант”, №7, 1990.

Минеев А. От мыши до слона. – “Квант”, №11, 12, 1993.

 

О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт
Вверх .
Рефераты.
Главная страница .


Rambler's Top100Rambler's Top100