Герт ван Дейк

Это растение! Это животное! Это битроф!

Пятница, 8 мая 2020 года

Источник: «Википедия»

Несколько лет назад один из видов голожаберных моллюсков прогремел на интернет-сайтах, специализирующихся на научных новостях. На всех этих сайтах демонстрировали ярко-зелёную сплющенную каплю, как на картинке сверху. Этот голожаберник был зелёным, потому что занимался фотосинтезом, который для животных в целом считается не характерным.
Думаю, все, кто интересуется спекулятивной биологией, сейчас напряглись, потому что форма жизни, которая является частично животным, и частично растением, сочится «инопланетянистостью» изо всех щелей. Но сопровождался ли поток «инопланетянистости», истекающий из этих щелей, выделением кислорода, как у растений, или углекислого газа, как более приличествует животному?
Голожаберники рода Elysia приобретают свою способность к фотосинтезу, питаясь водорослями. Водоросли, как известно хорошо информированным читателям этого блога, осуществляют фотосинтез во внутриклеточных органоидах под названием хлоропласты. Голожаберники поедают водоросли, но вместо того, чтобы просто переваривать хлоропласты, они обволакивают их посредством фагоцитоза и сохраняют в живом виде в собственных телах. Из-за этого хлоропласты получили название «клептопластов», или «украденных –пластов».
Оказывается, фотосинтезирующие моллюски могут довольно успешно жить в темноте, так что их зависимость от фотосинтеза не критическая. Они действительно используют фотосинтез как вспомогательный источник энергии, главным образом, когда испытывают голод. Когда же моллюсков содержат в темноте И морят голодом, количество клептопластов уменьшается, так что моллюски явно расщепляют бесполезные на тот момент хлоропласты и получают от несчастных органелл последний заряд энергии (Cartaxana et al, 2017).
В спекулятивной биологии растительно-животные комбинации не являются чем-то новым. Собственно, на Фурахе есть группа существ, которые названы «миксоморфы». Вероятно, они имеют общие признаки как с растениями, так и с животными. Слово «вероятно» находится здесь потому, что у меня всегда было неприятное ощущение, что растительно-животная комбинация может оказаться нежизнеспособной. В конце концов, Земля не кишит такими существами, занимающимися тем, чем занимаются «животнорастения», пока не сидят на солнце неподвижно. Означает ли их отсутствие то, что идея об их существовании – бессмысленна?
Концепция животных, занимающихся своим собственным фотосинтезом, безусловно, кажется неплохой идеей. Земные растения поглощают углекислый газ (CO₂), воду (H₂O) и солнечный свет, превращая их в углеводы. Поскольку они превращают в углеводы небиологический материал, их называют «автотрофами». Животные на это неспособны и нуждаются в некотором количестве уже готовых углеводов в качестве источника углерода, что делает их «гетеротрофами». Расщепляя эти углеводы, животные получают материалы для своего собственного организма, выделяя H₂O, CO₂ и энергию. В некотором смысле животное – это растение с обратным обменом веществ.
Почему бы не сделать то, что делает слизняк, и не избавиться от посредника? Эта растительно-животная химера может использовать фотосинтез в качестве вспомогательного и дешёвого способа хранения свободной энергии в виде углеводов, что даёт ей преимущество перед животными, которым приходится охотиться, жевать и переваривать пищу, чтобы получить какие-нибудь углеводы. У них даже было бы преимущество перед растениями в том, что для растений основная проблема с фотосинтезом заключается в очень малом содержании CO₂ в воздухе. Животная часть химеры производила бы более чем достаточно CO₂, чтобы подстегнуть фотосинтез растительной части.

Источник: «Википедия»

Автотроф + гетеротроф = битроф

В «Википедии» есть хорошая схема, объясняющая полную номенклатуру способов получения формами жизни энергии и углеводов. Существуют три основных точки бифуркации, как показано выше. В результате получаются шесть фрагментов фраз: гетеро- против авто-, хемо- против фото- и органо- против лито-. Существует восемь возможных комбинаций. Наши садовые растения – это (извините за каламбур...) «фото-лито-авто-трофы», тогда как обычные животные являются «хемо-органо-гетеро-трофами».
Эта красивая схема, похоже, охватывает все возможности, ставя перед любителями спекулятивной биологии проблему: где мы должны классифицировать животных, способных к фотосинтезу? Обратите внимание, что уже существуют такие формы жизни, которые неспособны синтезировать собственные углеводы, однако используют фотосинтез: фотолито- и фотоорганогетеротрофы. Однако все они – бактерии, а для повышения уровня «инопланетянистости» нам нужны существа, которых мы можем увидеть без микроскопа, и которых мы можем погладить или обеспечить компостом. Или всё вместе. Кроме того, поскольку эти существа будут использовать оба пути превращения энергии, в схему они не вписываются. Их можно было бы назвать «автогетеротрофами»; не могу сказать, что мне очень нравится термин «животнорастения». Давайте введём термин «битроф», чтобы подчеркнуть принцип двойной энергии (не добавляя также «фото-органо-лито-хемо-»).

Битрофия на практике

«Битрофизм» нуждается в оценке энергетических потребностей. Первый вопрос состоит в том, сколько энергии вы получаете от листа или от стандартизированной площади, занятой фотосинтезом. К счастью, эта информация уже была в готовом виде на моей книжной полке в книге покойного Р. МакНейла Александера «Энергия для животной жизни» (если вы хотите, чтобы ваша спекулятивная биология звучала по-научному, найдите его книги).
При ярком солнечном свете световой поток на поверхности Земли составляет около 1000 Ватт на квадратный метр, и при такой интенсивности света скорость фотосинтеза достигает максимума – 21 Ватт на квадратный метр. Это соотношение 21 к 1000 лишний раз показывает, насколько неэффективен фотосинтез. Имейте в виду, что этот световой поток является максимальным значением в родном биоме Александра, которым была Англия. Сразу за пределами атмосферы вы получаете 1370 Ватт на квадратный метр. Очевидно, что времена года, облачность, широта и время суток влияют на количество солнечного света, которое фактически получает поверхность земли. А пока давайте остановимся на значении 21 Ватт на квадратный метр.
Следующий вопрос заключается в том, сколько энергии на самом деле необходимо животному. Это также зависит от многих факторов наподобие его активности, но минимальный уровень потребности в значительной степени фиксирован: «минимальная скорость обмена веществ» описывает потребность в энергии животного, которое ничего не делает, а просто остаётся живым. Этот показатель зависит от двух факторов.
Первый - это тип животного: теплокровные животные вроде птиц и млекопитающих сжигают энергию гораздо быстрее, чем другие группы, такие как ящерицы, рыбы и т.д. Среди двух животных одинаковой массы млекопитающее расходует почти в 5 раз больше энергии, чем ящерица (даже если она нагретая до 37°C), и в 12 раз больше энергии, чем ракообразное при 20°C.
Второй фактор – это масса: 100-килограммовое животное будет расходовать больше энергии, чем 10-килограммовое. Однако его потребность в ней будет не в 10 раз больше, а менее. Как заметил Александр: «При равном весе прокормить слонов куда дешевле, чем мышей». Зависимость между минимальной скоростью обмена веществ (МСОВ) является экспоненциальной и имеет вид

МСОВ = a (масса тела) ^ b

(здесь сложно форматировать; фрагмент «^b» означает «в степени b»)

Значение «b» несколько отличается у разных групп животных, но его значение близко к 0,75. Тот факт, что он меньше 1, объясняет, почему у крупных животных скорость обмена веществ на килограмм ниже, чем у мелких. Множитель «а» – это то, что отличается у разных групп животных (для млекопитающих он равен 3,3, для нагретых ящериц – 0,68 и для ракообразных – 0,27).

Авторское право: Герт ван Дейк

(Подписи на рисунке: Минимальная Скорость обмена Веществ

шкалы: Ватты, масса тела (кг), квадратные метры

графики: Млекопитающие, ящерицы, ракообразные)

На изображении выше показана Минимальная Скорость Обмена Веществ для млекопитающих, (нагретых) ящериц и ракообразных, все они варьируют по весу от 0,1 до 1 кг. Ракообразные сжигают меньше всех энергии, а более крупным животным требуется больше энергии, чем мелким.
Но мы хотели перейти к фотосинтезу; вспомните, что один квадратный метр фотосинтезирующей площади даёт 21 Ватт, поэтому справа я добавил дополнительную ось Y, которая представляет собой просто левую ось Y, делённую на 21. Правая ось показывает, сколько квадратных метров фотосинтетической площади нам нужно для каждой из точек на графике. Млекопитающему весом 1 кг потребуется около 0,16 квадратных метров «листьев». Это соответствует квадрату со сторонами 40 см. Примерами зверей весом 1 кг являются семипоясные броненосцы, ондатра, лесные куницы, утконосы, сурикаты и европейские ежи. Просто представьте себе одного из них с зонтиком размером 40 на 40 см для улавливания солнечного света. Крупная плодоядная летучая мышь также может иметь массу 1 кг; в любом случае ей нужна большая площадь крыльев; хммм...
В любом случае, из-за того, что мне было сложно представить, насколько оно велико на самом деле, я собрал макет животного массой 1 кг (объем можно рассчитать, потому что животное состоит из сфер и цилиндров; его плотность равна 1,05). Я использовал характеристики млекопитающего, чтобы рассчитать размер диска, необходимого ему для получения энергии, обеспечивающей МСОВ.

Авторское право: Герт ван Дейк

На рисунке сверху изображён такой «Disneius solamor». Маленькие квадратики на земле – размером 1х1 см, а большие – 5х5 см. Длина животного составляет 21 см, а радиус его тёмно-зелёного «солнечного диска» («антенны»? «листа»?) составляет 22 см. Он нужен ему для обеспечения МСОВ. Дополнительно для масштаба дан обычный человек. Хм; животное выглядит не очень элегантно, а этот большой «лист», похоже, довольно уязвим.
Но мы ещё не закончили. Пока в расчётах использовалась максимальная освещённость, а это нереально. А как насчёт влияния массы? Как насчёт животных, которые расходуют энергию экономнее, чем млекопитающие? Как насчёт более эффективного фотосинтеза? Я подозреваю, что эта запись, возможно, уже вышла за рамки «максимально допустимой сложности на единицу показателя удовольствия» (МДСЕПУ), поэтому я остановлюсь здесь. Но к этой теме я, скорее всего, вернусь.

---------------------------

ПС. Хотя я приветствую то большое количество вопросов, которые недавно получил блог, многие из них не имели никакого отношения к сообщению, под которым они были заданы, и на многие можно было легко ответить, используя функцию поиска по блогу. Так что отныне я буду реже отвечать на подобные вопросы. А вы точно предпочли бы, чтобы я тратил свое время на работу над Книгой вместо написания сообщений?

Оригинал статьи находится здесь.

Перевод на русский язык: П. Волков, 2022