Страница 36 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Продолжу примеры. Рассмотрю водные и наземные организ­мы на палеонто­ло­гическом этапе перехода из воды на сушу, а потом при обрат­ном пе­реходе в воду на уровне высокоразвитых млекопитающих.

Главное отличие в водной и воздушной среде, которое задают фи­зи­чес­кие законы для условий при синтезе ин­­формации, очень простое. Масса тела рас­тёт пропорционально кубу его линейного размера. По­верх­ность мед­леннее – пропорционально квадрату линейного размера.

Поступление кислорода для нужд энергетики метаболизма пропор­ци­онально площади поверхности тела. Потребление или выделение энер­гии при метаболизме пропорционально массе тела (его объёму). За­кон куба и квадра­та для отношения объё­ма те­ла к его поверхности есть глав­ный в физико-хи­ми­ческих задачах обеспече­ния кисло­родом энер­ге­тики метабо­лизма и уда­­ления из него угле­­кис­лоты. На это обратил внимание ещё Н. Винер.

У микробов или простей­ших многоклеточных организмов ли­ней­ные размеры малы, поэтому велика по­верх­ность тела по отношению к его объёму – газо­об­мен на поверх­но­сти тела достаточен для потреб­но­с­тей метаболизма. У гораздо более крупных организмов, но с вялым ме­табо­лизмом, на­пример, дождевых червей, величина поверхности тела также может обес­печить их кислородом и удалить СО2 . Но при размерах тела порядка еди­­ниц миллиметров и интенсивном метаболизме (как у насекомых) ве­личина гладкой поверхности, ог­раничи­ва­ю­щей организм, для решения этой задачи оказывается мала. Тем более, что у них поверх­ность тела есть его хитиновая несущая конструкция (как у современных безрамных авто­мо­би­лей), а потому не может целиком состоять из кле­ток, способ­ных к га­зо­обмену.

Поверхность тела можно увеличить (мало изменяя его объём) за счёт неровностей – полостей или выпуклостей. По физико-химическим причинам они в задачах газообмена живых организмов должны воз­ни­кать автоматически. Дело в том, что образование на поверхности орга­низ­ма колоний кле­ток, специализированных для погло­ще­ния кислорода и выделения уг­ле­кислоты – газообменников – обязательно связано с от­ли­чием их ме­ха­ни­ческих свойств (поверх­ност­ного натяже­ния, жест­ко­сти, прочности). Ведь они имеют физико-химические функции и мета­бо­лизм иной, чем у соседей.

Улуч­ше­ние снабжения кислородом за счёт специализации клеток позволяет рас­ти размерам организмов. Соответственно растут раз­меры колоний таких клеток, усложняется их структура. От­личия механических свойств колоний этих кле­ток от свойств соседей приводят к деформации поверхности тела как начальной первичной ос­нове, приводящей к фор­ми­­ро­ванию специализированных органов. Гене­тика управляет метабо­лиз­мом клеток. Физические, химические, механи­чес­кие законы на этой ос­нове формируют органы и системы.

Меха­ни­ческие свойства и специализация клеток взаимосвязаны слож­но. Поэтому высоко­ве­ро­ят­ные случайные изменения поверхности те­ла за счёт специализирован­ных клеток-газообменников мо­гут быть как  направ­лен­ные внутрь (то есть фор­ми­рующие по­ло­с­ти) так и при­во­дя­щие к кис­те­вым на­ро­с­там. В обоих случаях условия про­ч­ности “кон­ст­рук­ции”, а также работа, которую нужно затра­тить для цирку­ля­ции воды или воздуха в возникших газообмен­никах, с помощью отбора ограни­чи­вают рост возму­ще­ний по­верх­но­сти те­ла, которую они образуют.  

Сочетание случайностей с физико-химическими законами и меха­ни­чес­кими закономерностями гра­ниц “газообменников” позволяет в про­цессе эволюции развиваться на­чаль­­ным возмущениям по­верх­ности от уровня клеток до выражен­ных “кон­ст­рук­­ций” самостоя­тель­ных органов дыхания. Этому способствует об­щая для всех форм жизни осо­бен­ность – избыточность производст­ва энергии, стимулирующая рост как “полез­ных”, так и патоло­ги­ческих но­вообразований. Опять-таки, это не есть вуль­­гарно эволю­ционный рост, превращающий ми­к­роиз­мене­ние в лёг­кие или жаб­ры. Это – за­по­м­ненные вы­борки из многих слу­чайных “конструкций”. Они могут

Газообменник в техничес­ких устройствах – сложная кон­ст­рукция, реализуемость и работо­спо­соб­ность которой зависят от условий, задава­е­мых человеком-инженером. Для живой при­ро­ды от­вет­­ст­венность кон­­ст­руктора за ка­чест­во решений берёт на себя естест­вен­ный отбор.

Главные физико-химические и механические условия в этом:

Для использования в химических реакциях метаболизма кис­ло­род должен быть растворён в воде. Поэтому поверхность га­зо­обмен­ни­ков должна быть всегда влажной.

Концентрация кислорода в водной среде при самой хорошей аэра­­­ции около 1% , в свежей прудовой воде около 0,7% , в мор­ской воде около 0,5% . В воздушной среде концентрация кис­ло­рода от двадцати до сорока раз выше, чем в воде – 21% .

Гидравлическое сопротивление пропор­ци­о­нально квадрату ско­ро­с­ти движения. Коэфициент при этой зависимости для воды намного боль­ше, чем для воздуха.

Высокая концентрация кислорода в воздухе позволяет су­ще­ст­во­вать дождевым червям, несмотря на малость поверхности газо­об­мена и от­сутствие специальных при­с­посо­бле­ний для организации потока воз­ду­ха вдоль тела. Подземный образ жиз­ни сохра­няет у них влажность на­руж­ной поверх­но­сти тела. Они малопод­виж­ны, то есть ма­ла ра­бо­та, со­вер­ша­е­мая ими при движении. Её может обеспечить малая ско­рость по­да­чи кис­ло­ро­да в организм, то есть ма­лая по­верх­но­сть газооб­мена.

Рыбы (как представители вод­ных ор­ганизмов) живут в среде с ма­лой кон­центрацией кислорода. Они хо­лоднокров­ны, то есть преиму­щест­вен­но кислород ну­жен им при про­из­водстве энергии для движения в во­де. Но скорости их движения не ма­лы, а сопротивление в воде велико и быстро растёт с ростом скорости дви­жения. Для обеспечения организма энергией нужны большие поверх­но­­с­ти газообмена. Полостные га­зо­об­мен­ники (даже простые как у на­се­комых) возникнуть у них не могут. Ры­бы используют для дыхания жаб­ры – кистеобразные (рис. 3.7) газооб­мен­ники. Они не отличаются от по­лост­­ных с точ­ки зрения ве­ро­ят­ности воз­ник­но­вения. Но в запоми­на­ние слу­чайного выбора вмеши­ва­­ют­ся ме­ханические условия. В водной сре­де гид­­родинамическое соп­ро­­тив­ле­ние при за­­пол­не­нии полостей на­мно­го боль­ше, чем при омы­ва­нии сна­ру­жи кистевых об­ра­­зо­ваний. Это одна из причин, по ко­торым от­­бор зак­ре­

Равноправие случайного воз­ник­новения полостного (легких) и кис­­­тевого (жабр) газообменни­ков хорошо видна на примере костных рыб (Osteichthyes). Три их типа – кистепёрые, лучепёрые и дво­я­ко­ды­ша­щие рыбы в той или иной форме (наряду с жабрами) имеют легкие или их зачатки [57]. У них по­лость как форма органа га­зо­об­мена может су­ще­­ст­во­вать, а потому она воз­­ни­кает в результате слу­чай­нос­тей, ограни­чен­ных физико-механически­ми за­ко­на­ми. Избыточность как ос­но­ва ме­та­бо­лиз­ма всех форм жизни разре­ша­ет этим ти­пам рыб иметь излишний для них ор­ган, по­тенциально пригодный для газообмена. Однако боль­шое гидравли­чес­кое сопротив­ле­ние при заполнении водой и опо­­ро­ж­не­нии по­лостей за­пре­щает им стать основой дыхания у рыб. Рыбы-уроды, слу­чайно полу­чив­шие только по­ло­сти-лёгкие – гибнут. Ры­бы, име­­ю­щие и по­лости, и жаб­ры, могут су­ще­ст­вовать за счёт жабр, несмо­т­ря на урод­ст­во (зачатки лёгких), если оно сов­ме­стимо с вы­жи­ванием.

На палеонтологическом этапе существования рыб кислород в воз­душной атмосфере Земли уже был как её значительная составля­ю­щая. В п. 2 вы­ше было подчеркнуто насколько велики концентрацион­ные пре­и­­му­щест­ва метаболизма в воздушной среде. Их использование отражает факт – есть виды рыб, у которых могут сосу­ществовать в роли работо­спо­собных органов жабры и зачатки лёгких. Сколь бы эти зачатки ни бы­ли несовершенны как орган, разница в кон­цен­трациях кислорода га­ран­тирует выживание выживающих, переходя­щих хотя бы эпизоди­чес­ки в воздушную среду – для работы отбора над случайностями есть эф­фек­тивная основа. Это дво­я­кодышащие рыбы Но они не есть пере­ход­ная форма к наземным жи­вотным – они тупик эво­лю­ции. Действительно переходные формы вы­мерли в виде индивидуумов или не закончивших развитие организмов. Результатом таких переход­ных форм явились на­зем­ные животные, со­дер­жащие внутри себя много общих особенностей, но несопоставимые с двоякоды­ша­щими рыбами.