Мы не знаем, могли ли эти гигантские кожистые древние аэронавты махать крыльями или только взлетали и парили. Это важное различие, и к нему мы еще вернемся в последующих главах.
Кстати, летать – не единственное, что дается труднее, если становишься больше. Ходить и даже стоять тоже труднее. Сказочных великанов изображают похожими на людей нормального сложения, просто уродливых и пропорционально больших размеров. Но если бы кости десятиметрового великана были как у нормального человека, только пропорционально увеличенные, они сломались бы под его весом. Такой исполин весил бы не в 5 раз больше даже высокого двухметрового человека, а в 125 раз больше. Чтобы великан не превратился в груду окровавленных обломков, кости у него должны были бы быть несоразмерно толще обычных человеческих. Подобно костям слонов и больших динозавров, они должны были быть толстыми, как древесные сучья, такими толстыми, что выглядели бы непропорционально короткими.
Размер для животного – один из тех параметров, которые легче всего менять в ходе эволюции, причем в любую сторону. Как мы видели, животные, перебирающиеся на остров, за эволюционное время нередко становятся крупнее – это феномен островного гигантизма. Но при других обстоятельствах новоприбывшие обитатели островов становятся меньше – это островная карликовость. Так произошло с миниатюрными, ростом в метр, слонами, которые когда-то жили на Крите, Сицилии и Мальте. Должно быть, они были просто очаровательны. Существует правило Фостера, гласящее, что животные, которые раньше были маленькими, обычно после переселения на остров становятся крупнее, а животные, которые раньше были крупными, – мельче. Предполагают, что животные, на которых охотятся (обычно они маленькие), становятся крупнее в отсутствие хищников. А крупные животные становятся меньше, поскольку небольшая площадь острова ограничивает их пищевые ресурсы.
Эволюционные изменения размеров не могут быть просто изменениями масштаба в ту или иную сторону. Меняются и пропорции – согласно математическим законам, изученным нами на примере кубиков. Меняется весь облик животного. Те, кто уменьшается, становятся худыми и длинноногими. А у животных, размеры которых растут, конечности становятся толще. С изменениями абсолютного размера должны измениться все пропорции – кости, сердце, печень, легкие, кишечник и все прочие органы, как мы узнаем далее. И все это по тем же математическим причинам, с которыми мы познакомились в начале этой главы.
Вернемся к названию главы. Если ты совсем маленький, вроде феи или мошки, летать проще простого – легчайший ветерок подхватит и унесет, словно паутинку или пушинку. Если и нужны крылья, то скорее чтобы рулить, а не чтобы взлететь с земли.
Феи из Коттингли могли себе позволить довольно маленькие крылья, которыми можно махать без особых мышечных усилий. Фею из “Питера Пэна” зовут Динь-Динь – Tinkerbell. Очаровательная деталь: самое маленькое летающее насекомое мимарида по-английски называется fairyfly – “мушка-фея” (на самом деле она оса), а латинское название одного из видов мимарид – Tinkerbella папа (вспомним, что Нэной звали собаку, которая нянчила детей семейства Дарлинг в “Питере Пэне”). “Перышки” мимариды Tinkerbella папа тоненькие, как паутинки, – это, строго говоря, крылья, но насекомое пользуется ими скорее как веслами, чтобы “грести” в воздухе, где оно парит, чем для обеспечения подъемной силы. Крылья у других видов мимарид больше похожи на обычные. Мимариды на сегодня самые маленькие из известных нам летающих животных. Таким крошкам не составляет никакого труда оставаться в воздухе, наоборот, им бывает трудно спуститься на землю.
МИМАРИДА TINKERBELLA
На иллюстрации в самом начале этой главы показано, как мимарида пролетает сквозь игольное ушко.
Размах крыльев у нее примерно 0,25 миллиметра.
Хорошо, когда ты маленький. Но что, если тебе по каким-то причинам надо быть большим и все равно летать? Есть много веских причин быть большим, даже при высоких экономических затратах. Мелкие животные рискуют быть съеденными, не могут ловить крупную добычу. Соперников из своего же вида, например в брачных играх, легче запугать, когда ты крупнее. Тогда надо найти другой способ оторваться от земли. Это и подводит нас к следующей главе.
Глава 5Если нужно быть большим и все равно летать, увеличь поверхность тела
В предыдущей главе было показано, что мелкие животные автоматически получают относительно большую поверхность тела по сравнению с весом, поэтому полет дается им легко. Мы убедились в этом на примере математических расчетов с участием детских кубиков. Площадь поверхности мы измеряли в количестве краски, которая нужна, чтобы ее покрыть. Или количеством ткани, которая нужна, чтобы ее одеть. Если ангел имеет ту же форму, что и фея, но в 10 раз выше, площадь кожи, покрывающей ангела, будет в ю2, то есть в 100 раз больше, в то время как объем и вес – уже в 1000 раз больше.
БЕЛКА-ЛЕТЯГА
Лучше было бы назвать ее белкой-парашютисткой или белкой-дельтапланеристкой. Патагий – кожная перепонка, натянутая между лапами, – увеличивает площадь поверхности животного и позволяет ему благополучно планировать с дерева на дерево.
Но какое отношение площадь поверхности имеет к полету? Чем больше поверхность, тем больше площадь, которая может ловить воздушные потоки. Возьмите два одинаковых воздушных шарика, надуйте один так, чтобы у него была большая площадь поверхности, а другой оставьте вялым резиновым мешочком. Сбросьте их одновременно с Пизанской башни. Который упадет на землю первым? Недонадутый, хотя он не тяжелее (а на самом деле даже немного легче). Естественно, если бы вы бросали их в вакууме, они бы упали на землю одновременно (если уж говорить начистоту, в вакууме надутый шар взорвался бы, но суть вы уловили). Я пишу “естественно”, но до Галилея это было бы для всех неожиданностью. Это он доказал, что даже перо и пушечное ядро ударились бы о землю одновременно, если бы их бросили в вакууме.
БИПЛАН
Медленным самолетам нужна относительно большая площадь крыла, чтобы поддерживать заданный вес.
Сегодня бипланы встречаются гораздо реже, чем когда-то, а очень быстрых бипланов не бывает.
В этой главе мы хотим ответить на вопрос, что делать животному, если оно по каким-то причинам вынуждено быть большим, но все равно летать? Оно должно это компенсировать, непропорционально увеличив площадь поверхности своего тела, то есть отрастить себе какие-то выступающие части, например перья (если это птица) или складки тонкой кожи (если это летучая мышь или птеродактиль). Из какого бы количества материала ни состояло твое тело (твой
объем или вес), ты сделаешь важный шаг в сторону полета, если распределишь часть этого объема по большой поверхности. Или по крайней мере в сторону мягкого, как на парашюте, спуска или парения на ветру. Вот почему наша вымышленная версия архангела Леонардо нуждается в таких огромных крыльях. Инженеры выражают это особым термином – “нагрузка на крыло”. Это вес, поделенный на площадь крыла, чем больше нагрузка на крыло, тем труднее оставаться в воздухе.
Чем быстрее летит самолет (или птица), тем больше подъемной силы можно выжать из каждого квадратного сантиметра крыла. Более быстрые самолеты того же веса могут иметь крылья меньшей площади и все равно лететь. Это объясняет, почему у медленных самолетов площадь крыла относительно больше, чем у быстрых. До того, как удалось достичь современных высоких скоростей, первые самолеты были по большей части бипланами. Благодаря такой конструкции получаешь удвоенную подъемную силу, однако и аэродинамическое сопротивление тоже растет. По той же причине иногда строили даже трипланы.
Кстати, если отвлечься ненадолго от темы полета, следует заметить, что отношения между площадью поверхности и объемом очень важны для живых существ в целом. Подобно тому как крылья увеличивают площадь внешней поверхности, а это важно для полета, есть много органов, которые увеличивают площадь внутренней поверхности, чтобы соответствовать увеличению размеров тела. Например, легкие.
Объем или вес животного – хороший показатель количества его клеток. У крупных животных клетки не крупнее обычного, их просто больше. Каждая из этих клеток – и у мыши, и у слона – должна получать кислород и другие жизненно необходимые вещества. У блохи клеток меньше, чем у слона, и все они недалеко от воздуха, кислороду легко попасть в клетки. У взрослого человека около 30 триллионов клеток, и лишь крошечная их доля – клетки кожи, контактирующие с воздухом. Хотя поверхность кожи человека гораздо больше, чем у блохи, на нашей внешней поверхности расположена меньшая доля клеток, мы возмещаем этот недостаток, отращивая себе большую внутреннюю поверхность, которая соприкасается с воздухом. На этом принципе построены легкие, внутри которых сложная система разветвляющихся трубок и трубочек, заканчивающихся крошечными камерами – альвеолами. У вас примерно 500 миллионов альвеол, и, если их расправить, они покроют почти целый теннисный корт. Вся эта поверхность внутри вас соприкасается с воздухом и насыщена кровеносными сосудами. Даже насекомые, которые гораздо меньше, увеличивают площадь поверхности, соприкасающуюся с воздухом, при помощи системы внутренних разветвляющихся воздуховодов – трахей. Все тело насекомого – одно большое легкое.
Кровеносные сосуды в легких ветвятся бесконечно, обеспечивая огромную площадь внутренней поверхности, необходимую, чтобы забирать кислород из легких и распределять его по всем клеткам тела, например, мышечным, где кислород нужен для медленного сгорания, на котором работают мышцы. Кровеносные капилляры обеспечивают гигантскую внутреннюю поверхность для сбора и распределения питательных веществ и снабжают клетки всем необходимым. Обычной клетке нужно находиться примерно на расстоянии 0,05 мм от ближайшего капилляра, то есть в пределах двух-трех диаметров клетки. Капилляры собирают питательные вещества из кишечника, который сам по себе тоже обеспечивает большую внутреннюю площадь поверхности – тоже почти с теннисный корт. Представьте себе, какой огромной длины кишечник свернут внутри вас, и сравните его длину с кишечником дождевого червя – просто трубкой, которая тянется от одного конца червя до другого. Ваши почки снабжены бесчисленными тоненькими трубочками, суммарная площадь поверхности которых опять же огромна, и в этих трубочках кровь фильтруется и очищается от отходов. Если вытянуть в длину все ваши кровеносные сосуды, большинство которых – крошечные капилляры, их можно обмотать вокруг экватора три с лишним раза. Это дает колоссальную площадь поверхности соприкосновения клеток с кровью. Многие большие органы в вашем организме – не только легкие и кишечник, но и печень, почки и так далее – всеми силами стараются повысить рабочую площадь доступа крови к клеткам. В сущности, все изгибы и закоулки кораллового рифа, складки и трещинки древесной коры и бесчисленное множество листьев в лесу – способ несоизмеримо увеличить площадь поверхности, которая необходима живой материи, чтобы жить.