Так вот, по поводу тараканов... 🐔 Задумывались ли вы, что в конечном итоге их размер определяется геометрией пространства?

🪳Мы живём трехмерном мире. В нём радиус с площадью связывает квадратичная зависимость, а с объемом — кубическая. Т.е. при возрастании размеров таракана в 2 раза его площадь увеличивается в 4 раза, а объем — сразу в 8. Если бы измерений во Вселенной было 4 или 5, соотношения поверхностей и объемов были бы иными.

🪳Будем считать, что при увеличении размера плотность (состав тканей) таракана не меняется. Тогда масса, как и объем, растёт по кубическому закону — быстрее, чем площадь. Следовательно, чем крупнее особь, тем меньше поверхности приходится на единицу его массы. За счёт этого маленькие организмы имеют эволюционное преимущество: им легче осуществлять процессы жизнедеятельности, эффективность протекания которых определяются площадью: дыхание (газообмен) и теплообмен.

🪳Теперь обратимся к тому, как насекомые дышат. У них нет лёгких, и самые маленькие виды буквально "проветриваются" через трубки в теле, называемые трахейной системой. Каждая трубочка многократно ветвится, и самые маленькие подходят к небольшим группам клеток. Эти структуры пронизывают насекомых, как кровеносные сосуды — животных.

🪳Физическим механизмом, определающим эффективность доставки кислорода до клеток через трахеи, является диффузия. Её скорость определяется законом Фика и в рассматриваемом случае зависит от коэффициента диффузии кислорода, его концентрации в атмосфере и площади сечения трахеи. Как видим, "повлиять" насекомые могут только на последний параметр.

🪳 Если насекомое растёт в 2 раза, то площадь сечения трахеи растёт в 4, а масса (потребность в кислороде) — в 8 раз. Им быстро становится всё сложнее дышать.

🪳 Из-за этих ограничений трахейная система очень быстро разрастается с размером. Например, у крупных шмелей дыхательная система занимает уже около 25% объёма тела! (да, такие вопросы учёные тоже исследуют). Поэтому приходится оставатья маленькими или эволюционировать. Большие насекомые, особенно летающие, нуждаются в большем воздушном потоке, чем может обеспечить пассивная диффузия. Поэтому они подключают другой физический механизм — конвекцию, "прокачивая" через себя воздух как насосом за счёт движений тела. Ну а рептилии и мелокопитающие пошли ещё дальше и получили для доставки кровеносную систему.

🪳Погодите, но ведь миллионы лет назад Землю населяли гигантские стрекозы (Meganeura), куда тогда они подевались? Выше мы упоминали, что скорость диффузии по закону Фика растёт с ростом концентрации кислорода в атмосфере. В каменноугольном периоде она могла достигать примерно 30–35%, против современных ~21%.

Видимо, к счастью... 🪲

#БесячаяФизика #Термодинамика #Биология

Ловко? Подписывайтесь!