Усі акули, незалежно від форм і розмірів, дотримуються одного багатовікового правила: про що йдеться

Попри відмінності у формах і розмірах, усі акули стикаються з однією і тією ж фундаментальною проблемою: як ефективно доставляти кисень, тепло і поживні речовини в кожну частину свого тіла. У новому дослідженні вчені з'ясували, як вони це роблять. Про це йдеться в журналі Royal Society Open Science, пише The Conversation.

Нове дослідження виявило, що акули дотримуються багатовікового математичного правила — закону масштабування двох третин — який передбачає, як форма тіла змінюється з розміром. Це розповідає про те, як працює еволюція і чому розмір дійсно має значення.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Що таке закон масштабування двох третин?

Основна ідея математична: площа поверхні збільшується пропорційно квадрату довжини тіла, а об'єм збільшується пропорційно кубу. Простими словами, площа поверхні збільшується повільніше, ніж об'єм, а співвідношення між ними — вирішальне для багатьох біологічних функцій — зменшується з розміром.

Це важливо, оскільки багато важливих життєвих процесів відбуваються на поверхні: газообмін у легенях або зябрах, наприклад, для поглинання кисню або виділення вуглекислого газу, а також втрата тепла через шкіру і поглинання поживних речовин у кишківнику.

Ці процеси залежать від площі поверхні, тоді як вимоги, які вони мають виконувати, наприклад, найважливіше завдання забезпечення організму киснем, залежать від об'єму. У результаті співвідношення площі поверхні до об'єму визначає те, як саме функціонують тварини. Цікаво, що це правило, попри свою центральну роль у біології, було ретельно перевірено лише на клітинах, тканинах і невеликих організмах, наприклад, комах. Але все змінилося.

Чому акули обрали акул?

Акули можуть здатися неочевидними претендентами для перевірки старої математичної теорії, але насправді вони ідеальні.

По-перше, ця група тварин охоплює величезний діапазон розмірів. По-друге, акули вирізняються неймовірною різноманітністю форм і способів життя. Крім того, акули харизматичні, екологічно важливі та все більше перебувають під загрозою. Розуміння їхньої біології має як наукову цінність, так і важливе значення для збереження.

Перевірка старої математичної теорії

Під час дослідження вчені використовували 3D-моделі з високою роздільною здатністю для цифрового вимірювання площі поверхні та об'єму у 54 видів акул. Зазначимо, що моделі були створені з використанням відкритих КТ-сканів і фотограмметрії — донедавна ці методи були сферою дизайнерів відеоігор і художників зі спецефектів, а не біологів.

Вчені вдосконалили моделі в Blender, потужному програмному інструменті для 3D-графіки, і витягли дані про поверхню та об'єм для кожного виду. Далі команда застосувала філогенетичну регресію — статистичний метод, що враховує загальну еволюційну історію. Це допомогло вченим побачити, наскільки точно форми акул дотримуються прогнозів правила двох третин.

Результати виявилися дивовижними: виявилося, що акули дотримуються правила масштабування двох третин майже ідеально, з масштабуванням площі поверхні до об'єму тіла, піднесеного до степеня 0,64 — всього 3% різниці з теоретичним 0,67. Дані вказують на те, що відбувається щось глибше: попри велику кількість розмірів, форм і місць проживання, акули схоже дотримуються одного й того самого стародавнього математичного правила.

На думку дослідників, одне з пояснень полягає в тому, що обмеження того, як тварини ростуть і формуються в ранньому віці, ускладнюють і роблять занадто витратним для акул відхилення від цього математичного правила. Вчені вважають, що зміна співвідношення площі поверхні до об'єму може вимагати перебудови розподілу тканин під час ембріонального розвитку, чого еволюція, мабуть, уникає, якщо тільки це не є абсолютно необхідним.

Раніше Фокус писав про те, що якщо акули зупиняться, вони помруть: вчені розповіли, чи дійсно це так.