Хлопок одной ладонью - Николай Кукушкин

Что же случилось с насекомыми палеозоя? Почему они уменьшились, вместо того чтобы стать еще крупнее и дать отпор новым захватчикам покоренной ими суши? Даже стрекозы карбона, столь занимавшие моего преподавателя на экзамене, по позвоночным стандартам не такие уж и гиганты – у многих птиц размах крыльев существенно больше. Гигантская стрекоза нас, конечно, напугала бы до смерти, но вряд ли бы съела целого 70-килограммового примата. Сегодняшние же стрекозы, вроде описанной выше, едва ли могут добыть себе на обед кого-нибудь из позвоночных крупнее юной саламандры или лягушки. Вместо этого они сами куда чаще оказываются добычей позвоночных – например, цапли, весьма скромной в боевом смысле птицы, для которой тем не менее страшный и брутальный хищник стрекоза не опаснее мухи.

Как так получилось? Почему стрекозы не едят цапель? Если были птеродактили, то почему никогда не было десятиметровых бабочек? Если есть слоны и жирафы, то почему нет муравьев размером с автомобиль?

Вопрос этот – не просто праздные фантазии. Членистоногие появились на суше первыми и никогда не переставали быть самой успешной, самой многочисленной и самой разнообразной группой животных за пределами океана. Мы, сухопутные позвоночные, формировались в условиях их тотального контроля над всеми доступными ресурсами суши. То, как мы решили эту проблему, определило все наше дальнейшее существование. Поэтому вопрос о гигантских стрекозах – это на самом деле вопрос о том, почему мы такие, какие мы есть.

Достаточно посмотреть на любое насекомое под большим увеличением, чтобы убедиться, что в соответствующем масштабе это не животное, а железный робот-убийца (загуглите изображение муравья или даже мухи под микроскопом). Если на улицы, построенные позвоночными для позвоночных, вдруг запустить муравьев размером с автомобиль, то зомби-апокалипсис этим позвоночным покажется игрой в пятнашки. Именно в изменении масштаба заключен ключ к нашему эволюционному выживанию. Наши огромные размеры – это единственное, что позволило нам преуспеть в мире, который был и остается империей насекомых.

Сила в квадрате

Увеличение в размерах – дело непростое. Гравитация, удивительная и во многом до сих пор таинственная физическая сила, зависит от массы притягиваемых объектов, то есть от количества вещества. Ее невозможно обмануть. Объект, к которому притягиваются наши тела, – планета Земля – как бы знает на расстоянии, сколько именно протонов, нейтронов и электронов в этих телах содержится, и тянет каждый из них с четко установленной силой в четко установленном направлении, которое мы называем «вниз». Животное, в котором в два раза больше вещества, будет притягиваться к земле ровно в два раза сильнее.

Далеко не все в организме подчиняется такой простой арифметике. Масса пропорциональна объему, а объем – это произведение трех измерений: длины, ширины и высоты. Чтобы получить животное в два раза тяжелее, в каждом из этих измерений его нужно вытянуть примерно на четверть: если растяжение в трех направлениях перемножить, то как раз и получится двойной объем, а значит, двойной вес. Мышцы и кости, соответственно, точно так же вытянутся на четверть в каждом направлении, а их вес вырастет вдвое. Но сила мышцы и прочность кости определяются не весом, а поперечным сечением, то есть произведением ширины и высоты, которое при увеличении каждой из сторон на четверть вырастет всего лишь на половину с небольшим. Что получается? Увеличивая животное вдвое по массе, мы усиливаем его всего в полтора раза. То есть наше животное при прочих равных теряет четверть силы из расчета на массу. Чем ты крупнее, тем тяжелее тебе противостоять гравитации.

В более широком смысле эта зависимость называется законом квадрата – куба. Смысл его в том, что масса зависит от куба длины, но многие другие свойства объектов зависят от квадрата длины, то есть площади, и изменяются масса и площадь непропорционально.

От площади зависят, например, потери поверхностью тела влаги и тепла, потребление легкими кислорода, прочность костей и многие другие факторы, которые приходится учитывать в эволюционном дизайне животного. Чем животное крупнее, тем меньше у него поверхности из расчета на массу, а это означает, что ему проще сохранять энергию и воду, но тяжелее поддерживать и перемещать собственный вес. Если микроскопические животные могут обходиться мягкими тканями, то на каком-то этапе увеличения условием устойчивости и мобильности становится скелет28.

В мире есть два типа скелетов: внутренний и внешний. Наш скелет внутренний: кости внутри, мышцы снаружи. У насекомых наоборот: мышцы прикреплены изнутри к наружному панцирю из хитина – экзоскелету.

У экзоскелета есть очевидный плюс: он одновременно работает броней. Наши мягкие ткани никак не защищены от атаки, тогда как пробить панцирь насекомого соразмерному животному очень трудно. Это колоссальное преимущество, в плане защитных свойств сопоставимое разве что с клеточной стенкой растений или грибов. Но это преимущество имеет оборотную сторону: наружный скелет мешает расти. Насекомое должно его сбрасывать каждый раз, когда хочет увеличиться в размерах. Необходимость линьки, или экдизиса, – фундаментальная уязвимость не только насекомых, но и всех членистоногих (включающих насекомых, ракообразных, паукообразных и многоножек), и даже еще более широкой группы, объединяющей их всех с круглыми червями-нематодами29. Эта последняя группа называется Ecdysozoa – как раз по научному названию линьки, то есть сбрасывания панциря-кутикулы, сопровождающегося скачкообразным ростом. Экдизозои представляют собой целое «мини-царство», можно сказать княжество животных, которые составляют львиную долю фауны суши.