Акули підтвердили закон масштабування двох третин

Акули різних форм і розмірів дотримуються фундаментального біологічного закону масштабування — правила двох третин, що має еволюційне та екологічне значення.

Біологія форм і розмірів

Хоча акули відрізняються розмірами — від 20-сантиметрових акул-ліхтариків до 20-метрових китових акул — вони всі підкоряються однаковим фізіологічним законам. Центральною проблемою для них залишається ефективна доставка кисню, тепла і поживних речовин до тканин. В основі цієї біологічної закономірності лежить правило двох третин: «Площа поверхні тіла зростає в квадраті довжини, а об’єм — у кубі», пояснюють Джоді Л. Раммер та Джоел Гейфорд.

Це означає, що зі збільшенням розміру тіла співвідношення площі поверхні до об’єму зменшується. Це співвідношення критичне для фізіологічних процесів, таких як газообмін у зябрах, теплообмін і поглинання поживних речовин. Дотепер подібні закони перевіряли переважно на мікроорганізмах — нове дослідження розширює ці знання на макрорівень.

Технології вимірювання і методологія

Для перевірки теорії дослідники використали 3D-моделі 54 видів акул, отримані за допомогою комп’ютерної томографії та фотограмметрії. Вони використовували програму Blender для точного обрахунку площі поверхні та об’єму тіла кожного виду. Потім застосували філогенетичну регресію — метод, що враховує еволюційні зв’язки між видами, для оцінки відповідності до теоретичної моделі.

Результат виявився вражаючим: експериментально виведений показник 0,64 майже точно відповідає теоретичному значенню 0,67. «Це доводить, що акули, незалежно від форми і способу життя, дотримуються базової геометричної логіки еволюції», — йдеться в публікації.

Еволюційні обмеження і значення для науки

Одне з пояснень стабільності цього співвідношення — так звані обмеження розвитку. «Зміна співвідношення потребувала б кардинальної перебудови ембріонального розвитку, чого еволюція, очевидно, уникає», — зазначають дослідники. Такі перебудови надто енерговитратні або ризиковані для виживання виду. Таким чином, еволюція зберігає “золотий стандарт” форми, оптимальний для дихання, харчування і руху.

Ці висновки мають значення не лише для теоретичної біології. Багато моделей у фізіології, екології та кліматології використовують припущення про площу і об’єм, які тепер мають емпіричне підтвердження. Знання про масштабування акул можна застосовувати до інших морських тварин, а згодом — до наземних хребетних.

Висновки для майбутнього

«Результати нашого дослідження додають впевненості у використанні біофізичних моделей для прогнозування змін у тваринних популяціях в умовах зміни клімату», — зазначають автори. Це особливо актуально на тлі зникнення біорізноманіття і деградації екосистем.

Дослідження акул ілюструє, як сучасні цифрові технології дозволяють перевіряти класичні теорії у нових масштабах. Водночас, воно нагадує, що навіть найдавніші біологічні принципи залишаються актуальними у вирішенні викликів XXI століття.