7 Minutės
Žirafos išgarsėjo dėl savo aukštų kaklų, tačiau nauji tyrimai atskleidžia, kad jų neįprastai ilgos kojos vaidina gyvybiškai svarbų — ir anksčiau nepakankamai vertintą — vaidmenį užtikrinant kraujo tiekimą į smegenis. Pakeldamos širdį arčiau galvos, ilgos kojos sumažina energinį krūvį, kurį reiškia kraujo siurbimas aukštyn; ši adaptacija padėjo žirafoms sėkmingai išgyventi Afrikos savanoje ir optimizuoti mitybą bei elgseną tam linkusiame aplinkos kontekste.
How long legs cut the heart’s workload
Dauguma gyvūnų susiduria su tiesiogine širdies ir kraujagyslių problema: kuo aukščiau galva nuo širdies, tuo didesnį spaudimą širdis turi sukurti, kad pakeltų kraują į kaukolę. Suaugusios žirafos nuosekliai palaiko sistolinį kraujospūdį virš 200 mm Hg — daugiau nei du kartus didesnį nei vidutinio žinduolio — tam, kad aprūpintų deguonimi kaukolę, kuri būna pritvirtinta maždaug du metrus ar aukščiau už krūtinės ląstą. Toks didžiulis spaudimas verčia žirafos širdį dirbti labai intensyviai: ramybės būsenoje žirafos širdis gali suvartoti daugiau energijos nei vidutinio suaugusio žmogaus organizmas ramybės metu. Šie skaičiai atkreipia dėmesį į sudėtingas fiziologines ir biomechanines adaptacijas, kurių prireikė evoliucijai, kad atsirastų ir išliktų aukšti kūno planai.
Tyrėjai Roger Seymour ir Edward Snelling šį energijos sąnaudų klausimą kiekybiškai įvertino straipsnyje, paskelbtame Journal of Experimental Biology. Jie uždavė esminį evoliucinį klausimą: ar vien tik ilgas kaklas paaiškintų žirafų širdies ir kraujagyslių reikalavimus, ar svarbų vaidmenį atlieka ir ilgos kojos? Tai svarbu, nes anatomijos ir fiziologijos sąsajos dažnai nulemia, kurios morfologinės pokyčių trajektorijos bus tvarios evoliucijos laike.
The 'elaffe' thought experiment
Norėdami išbandyti hipotezę, mokslininkai sukūrė hipotetinį gyvūną — pusę elando, pusę žirafos — kurį pavadino „elaffe“. Šis minties eksperimentas sudarė gyvūną, turintį afrikietiško elando kūną ir apatines galūnes, bet žirafai būdingą kaklo ilgį. Tokiu kūno planu širdis stovėtų ženkliai žemiau galvos lygio nei tikroje žirafos anatomijoje, kas teoriškai padidintų energinį reikalavimą kraują pumpuoti aukštyn. Sukūrę cirkuliacijos modelius elafės atvejui, autoriai parodė reikšmingą skirtumą: širdies veikla tokiame kūne reikštų maždaug 21 % viso gyvūno kasdienio energijos suvartojimo smegenų perfuzijai, tuo tarpu realioje žirafos fiziologijoje ši dalis siekia apie 16 %, o žmonėms ji yra tik apie 6,7 %.
Toks palyginimas iliustruoja, kaip esminių kūno proporcijų pokyčiai gali iš esmės pakeisti energetinį biudžetą. Pakeliant širdį arčiau galvos ilgesnėmis kojomis, tikros žirafos sutaupo maždaug 5 % savo dienos energijos biudžeto — dydį, kuris per metus konvertuojasi į reikšmingą biomasinį pranašumą. Tyrėjai apskaičiavo, kad energijos taupymas gali atitikti daugiau nei 1,5 tonos maisto per metus; tokia taupymo suma savanos sąlygomis, kur maisto ir vandens pralaidumas yra kintantis, gali lemti geresnes išgyvenimo galimybes sausros metu, didesnę reprodukcinę sėkmę ir lankstesnį elgesį sezoniškai.
A trade-off: tall legs, awkward drinking
Evoliucija retai suteikia naudas be kompromisų. Fosiliniai radiniai ir anatominių studijų sintezė, kurią aptaria Graham Mitchell knygoje How Giraffes Work, rodo, kad žirafų protėviai pirmiausia ilgino kojas, o vėliau evoliuciškai vystėsi itin ilgi kaklai. Iš energijos taupymo perspektyvos toks eiliškumas yra prasmingas: ilgos kojos mažina širdies ir kraujagyslių sistemos išlaidas, o dar ilgesnis kaklas šias išlaidas vėl padidina. Kitaip tariant, raida link aukščio dažnai vyksta per etapą, kuriame palaikoma energetinė pusiausvyra.
Tačiau ilgos priekinės galūnės verčia žirafas užimti pažeidžiamą padėtį, kai jos nuleidžia galvas gerti. Kad pasiektų išteklius žemiau nuo savo kojų lygio, žirafos turi plačiai išskėsti priekines kojas arba klupdamos lenktis labai neįprastu kampu, o tai lėtina galimą pabėgimą iš vandens telkinio, jeigu pasirodo plėšrūnas. Laukinių stebėjimai rodo, kad žirafos dažniau nei kiti stambūs žinduoliai palieka gėrimosi vietą nenusigėrusios — elgesys, kylantis iš aukščio ir saugumo kompromiso. Šis elgesys atspindi tiesioginę evoliucinę sąveiką tarp maitinimosi pranašumų ir plėšrūnų vengimo strategijų.
How long can a neck get?
Fiziologiniai ribojimai nustato viršutinę ribą, kiek ilgas gali tapti sausumos gyvūnų kaklas. Kraujospūdis didėja maždaug proporcingai kaklo aukščiui: kiekvienas papildomas metras aukščio reikalauja didesnio spaudimo, kad kraujas pasiektų smegenis. Jei gyvūnai stumtų kaklo ilgį toli už dabartinių žirafų ribų, širdies energijos poreikis galiausiai viršytų energiją, kurią gali generuoti likusi kūno masė. Todėl kūno dydžio, širdies galios ir medžiagų apykaitos santykis yra pagrindinis varžovas ilgėjimo evoliucijoje.
Sauropodų dinozaurai iliustruoja šią ribą ir tuo pačiu parodo galimybes, kai yra kitokios fizinės prielaidos arba kita kraujotakos architektūra. Giraffatitan — masyvus sauropodas, kurio skeletas eksponuojamas Berlyno gamtos istorijos muziejuje — siekė apie 13 metrų aukštį, o jo kaklo aukštis buvo įvertintas maždaug 8,5 metro. Jei žinduolių tipo cirkuliacija būtų tiesiogiai pritaikyta tokiam kaklo ilgiui, teoriniai skaičiavimai rodo, kad širdis turėtų generuoti maždaug 770 mm Hg — beveik aštuonis kartus įprasto žinduolio kraujospūdį — kas yra fiziologiškai mažai tikėtina. Tokios prielaidos padeda paaiškinti, kodėl nė vienas žinomas sausumos gyvūnas moksliniuose duomenyse greičiausiai neviršijo suaugusios patino žirafos aukščio be specialių kraujotakos adaptacijų ar kitokių laikysenos sprendimų.
Implications for evolution and biomechanics
Šis tyrimas pertvarko klasikinę evoliucinės biologijos istoriją. Tradicinis paaiškinimas — kad kaklo ilgėjimas išsivystė pirmiausia tam, kad pasiektų aukštesnes lapijas ir naujus maisto šaltinius — išlieka svarbiu pasakojimo elementu. Vis dėlto energijos skaičiavimai rodo, jog ilgos kojos nebuvo tik ėjimo ar greičio reikalas: jos sumažino vertikalią aukštį lydinčią širdies ir kraujagyslių kainą ir padarė įmanomas radikalesnes maitinimosi strategijas. Kitaip tariant, matomas kaklas yra tik viena iš daugelio susijusių anatominių investicijų.
Šių kompromisų supratimas turi reikšmės ne tik žirafoms. Lyginamoji fiziologija ir biomechaniniai modeliai leidžia nustatyti, kurie morfologiniai pokyčiai yra energetiškai įmanomi, o kurie tampa savisribojantys. Tokia analizė padeda paleobiologams geriau interpretuoti išnykusių milžinų gyvenimo būdą ir kelia naujus klausimus apie tai, kaip šiuolaikiniai dideli žinduoliai balansuoja maitinimosi pranašumus prieš cirkuliacinius ir plėšrūnų vengimo kaštus. Be to, tai skatina tarpdisciplininius tyrimus: anatominiai duomenys, hemodinaminiai matavimai ir ekologinės stebėsenos gali būti integruoti siekiant tiksliau rekonstruoti evoliucines trajektorijas.
Expert Insight
„Evoliucija dažnai randa išradingus kompromisus“, — sako dr. Maya Reynolds, hipotetinė lyginamosios fiziologijos specialistė. „Žirafos ne vien todėl tapo aukštesnės, kad pasiektų lapus — jos pertvarkė visą kūno planą taip, kad širdis dirbtų efektyviau. Tai priminimas, jog matomi bruožai, tokie kaip ilgas kaklas, paprastai palaikomi mažiau akivaizdžių adaptacijų kitose kūno dalyse, pavyzdžiui, galūnių ilgio, arterijų storių ar veninio grįžtamojo slėgio reguliavimo pokyčių.“
Ateities darbai galėtų sujungti didesnį lauko stebėjimų spektrą, išplėstus anatominius modelius ir genetinius tyrimus, kad būtų galima nustatyti, kada pirmą kartą žirafidų protėviuose atsirado kojų ilginimas ir kaip kartu evoliucionavo širdies ir kraujagyslių adaptacijos. Tokie tyrimai padėtų ne tik suprasti žirafų kilmę, bet ir įtvirtinti platesnes principines žinias apie tai, kaip morfologinės savybės sąveikauja su fiziologija ir elgsena. Kol kas aišku vienas: aukštis yra ne tik apie tai, ką gali pasiekti gyvūnas — tai apie tai, kiek jo širdis gali sau leisti.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą