Теорія неймовірності

Вага та теплокровність

Наприкінці нульових я навчався в аспірантурі Королівського технологічного інституту, що у Швеції. Аспіранти там зобов’язані впродовж семестру накопичувати певну кількість кредитів. Серед освітніх програм, які я обрав для цього, був тепломасообмін. Це базова дисципліна спеціальності «Теплоенергетика», за якою навчався в Україні. Тож мене цікавило, як цю дисципліну викладають в одному з топових університетів Європи.

Я був приємно здивований, що замість примушувати нас завчати велетенські абстрактні формули викладач постійно вигадував цікаві практичні завдання. Скажімо, якось він запропонував обчислити максимально допустиму масу для теплокровних тварин. Теплокровними вважають тварин, чиє тіло навіть у стані спокою виробляє тепло, що дає змогу підтримувати стабільну температуру незалежно від температури зовнішнього середовища. Чому взагалі йдеться про якесь обмеження щодо розміру теплокровних тварин? Річ у тім, що зі збільшенням габаритів об’єм тіла зростає швидше за його поверхню. Уявімо гіпотетичну тварину у формі куба зі стороною один метр. Якщо збільшити сторону куба до двох метрів, площа його поверхні зросте вчетверо, тоді як об’єм — у вісім разів. Звісно, реальні тварини не є кубиками, але, гадаю, ідею ви схопили: малі тварини мають значну площу поверхні за крихітного об’єму, і навпаки: що більша тварина, то менше співвідношення між площею її шкіри та об’ємом. Як наслідок — крихітні ссавці змушені багато їсти й вирізняються надшвидким метаболізмом, що допомагає компенсувати втрати теплоти через велику площу шкіри. Натомість для великих ссавців є певна межа, за якою площа їхньої поверхні виявиться замалою та просто не зможе пропускати крізь себе все вироблене тілом тепло. Тобто тварини не можуть виростати аж надто масивними, бо загинуть від перегрівання. Саме цю межу попросив визначити мій викладач.

Я знайшов усереднене значення питомого тепловиділення для ссавців і порахував, що маса тіла теплокровної тварини на Землі не може перевищувати сім тонн. Це збігається з вагою наймасивнішої сучасної сухопутної тварини — африканського слона. В середньому слони важать від 4 до 7 тонн. Окремі екземпляри досягають десяти тонн, але їм вдається охолоджувати тіло завдяки велетенським пронизаним капілярами вухам. Ці вуха, по суті, збільшують площу поверхні, крізь яку тепло віддається середовищу.

Слони, втім, — не найбільші тварини на Землі. Самиці синього кита виростають до тридцяти метрів завдовжки та важать 150 тонн. Що вберігає їх від перегрівання? Власне, саме середовище. Океанські глибини прохолодніші за африканську савану, й основне — вода має вчетверо більшу теплоємність, ніж повітря. Це означає, що за тих самих умов вона вчетверо ефективніше відбирає тепло з поверхні, яку омиває. Саме тому кити виростають такими великими. І саме тому вони швидко гинуть, якщо з якихось причин опиняються на березі. У буквальному сенсі згорають від тепла, що йде з їхніх нутрощів. Саме тому, до речі, рятувальники, які намагаються зіштовхнути в море китів, що викинулися на берег, безперервно поливають їх крижаною водою.

Цікаво, що межа маси для великих тварин збігається з максимальною вагою найбільшого відомого науці хижака — королівського тиранозавра. Доросла особина виростала до тих самих семи тонн. Що не дивно, оскільки ми точно знаємо, що Ті-рекс був теплокровним. Рівень метаболізму корелює з температурою, а в тиранозавра був надшвидкий метаболізм, оскільки в підлітковому віці він набирав по 2 кілограми на день. Для цього Ті-рекс мав споживати та перетравлювати немислиму кількість їжі, що неуникно супроводжувалося виділенням значної кількості тепла. Немає жодного шансу на те, що тиранозавр із таким скаженим метаболізмом залишався холоднокровним.

Проблема в іншому. Тиранозаври — не найбільші серед динозаврів. Є велика група травоїдних завроподів, найбільші серед яких — на кшталт аргентинозавра, патаготитана чи завропосейдона — важили близько сімдесяти тонн. Це, як ви розумієте, значно перевищує допустиму межу в 7 тонн. Що це означає? Найлегше припустити, що завроподи були холоднокровними, бо не могли бути такими великими та теплокровними водночас.

Але не все так просто.

Учені з’ясували, що кровоносна система завроподів вимагала теплокровного метаболізму. Гіганти на зразок аргентинозавра тримали шию вертикально, як жирафи, тож лише теплокровний метаболізм міг живити систему кровообігу, достатньо потужну, щоби закачувати кров до голови на висоті п’ятнадцяти метрів.

І це ще не все. Американські палеонтологи визначили температуру тіла окремих завроподів за ізотопним складом шкаралупи їхніх яєць. Ідея виникла після експерименту з яйцями сучасних птахів — нащадків динозаврів. Виявилося, що вміст ізотопів вуглецю-13 та кисню-18 в шкаралупі залежить від температури тіла самки на момент формування яйця. Похибка під час аналізу становила всього 1–2 градуси. Палеонтологи, дослідивши шість яєць завроподів, знайдених на території Аргентини, встановили, що температура тіла самиць коливалася в межах від 35 до 39 °C. Це щонайменше на 10 °C вище за тодішню довколишню температуру. Тобто древні травоїдні гіганти були теплокровними, а важили десятки тонн.

Як таке можливо?

Якщо коротко: ми не знаємо. Може, завроподи мали особливий тип метаболізму, який не зберігся до наших часів і давав змогу пригальмовувати генерацію внутрішнього тепла. Чи вони тривалий час перебували у воді й у такий спосіб охолоджували свої тіла. А може, залишатися теплокровними та досягати колосальних розмірів завроподам допомагали ефективні легені, схожі на легені сучасних птахів. Вони були просто велетенськими, із численною кількістю відгалужень — повітряних мішечків, що проникали навіть у кістки. Цей механізм дає змогу сучасним птахам всмоктувати кисень не тільки на вдиху, а й на видиху та літати в розрідженому повітрі. Завдяки цьому механізму неповороткі тиранозаври запасали енергію для вирішального ривка під час вистежування жертви. І цілком імовірно, що цей самий механізм слугував сімдесятитонним завроподам для того, щоби позбуватися надлишкового тепла. Це наче слонячі вуха, тільки значно, значно більші за площею.