Эффективность продуцирования, трахейное дыхание и размеры

[Илья]

1. У насекомых эффективность продуцирования (процент энергии пищи, который уходит в биомассу) равна 30 – 40%, у рептилий – 10%, у млеков и птиц – 1 – 2%. Почему у последних такая маленькая – это понятно (~93% энергии на поддержание температуры тела). У насеков же высокий уровень эффективности продуцирования, если не ошибаюсь, связывают с особенностями дыхания. Вопрос: является ли трахейное дыхание ограничивающим фактором в плане размеров? Т.е., допустим, если бы эволюция позвоночных пошла другим путем и у них возникло трахейное дыхание, могли бы они достичь того же размерного класса, которого достигли настоящие позвоночные с легочным дыханием? Хотя бы размера крысы?
2. Могут ли насеки испытывают гипоксию?
3. Для производства одного кг свинины требуется в 2 раза меньше корма по сравнению с 1 кг говядины и еще меньше требуется корма для получения мяса бройлеров. Объясните, пожалуйста, почему так? Ведь степень "совершенства" пищеварительной системы у этих видов растет в обратном порядке, разве нет? На что коровы тратят так много энергии, им ведь легче поддерживать температуру тела?
4. Слышал такое мнение, что эволюция насекомых шла по пути спрямления онтогенеза и вылупление из яиц особи, похожей на взрослую (развитие без метаморфоза), является прогрессивным признаком. Это правда? Меня это очень удивило, мне муравьи кажутся как-то более совершенными, чем термиты. К тому же самые примитивные, казалось бы, внутричелюстные тоже развиваются без метаморфоза.

[DNAoidea]

То, что вы слышали про Наскомых неправда: наиболее поздними отрядами считаются Двукрылые и Перепончатокрылые, которые имеют и личинок наименее похожих на взрослых. Однако "спрямление" всё же имело место: во-первых внутричелюстные насекомые - не предки настоящих, это малопонятная боковая ветвь, у основания ствола крылатых насекомых стоят формы похожие на веснянок, подёнок и стрекоз - все они имеют личинок малопохожих на взрослых, эволюция от них к таких как богомолы, тараканы, термиты, прямокрылые и прочие сопровождался именно "спрямлением развития". Насекомы были размером с крысу и даже больше - это было в каменноугольный период, но затем вымерли, современные крупнейшие усачи и жуки-голиафы приближаются к крысам вплотную. Думаю всё же, что трахейное дыхание, несмотря на то, что это расхожее мнение - не фактор, лимитирующий размер насекомых, поскольку воздух в трахеии может быть и нагнетён, как это, кстати, часто происходит с помощью воздушных мешков.

[Илья]

Большое спасибо, DNAoidea, за ответ. Значит все-таки наполовину правда. Мухи и муравьи всегда мне казались наиболее совершенными, но!! может ли быть такое, что ветвь (ветви), ведущая к жукам, двукрылым, перепончатокрылым, просто зациклилась со стоим метаморфозом, ведь у представителей второй ветви (той, что шла по пути спрямления онтогенеза) процент гибнущих особей, не достигших репродуктивного возраста, меньше. Хотя это как раз не касается общественных перепончатокрылых и мух, которые либо защищают своих личинок, либо прячут их в малопривлекательный субстрат.

[Илья]

И, если не вру, нимфы термитов, в отличие от личинок муравьев, способны выполнять какие-то полезные функции в колонии.

[DNAoidea]

И, если не вру, нимфы термитов, в отличие от личинок муравьев, способны выполнять какие-то полезные функции в колонии.

Не врёте: у термитов формирование касты нерепродуктивных особей построено немного иначе, нежели у перепончатокрылых: у термитов рабочие - это в принцыпе личинки-перостки, застрявшие на этой стадии под действием феромонов (или чего ещё), что выделяет матка. У термитов-то и личинки - во многом просто маленькие копии взрослых. Насчёт процента гибнущих особей - в принцыпе, наверное, нельзя ответить однозначно - всё бывает тут. Хотя, как вы и говорили "крайний" уход за потомством достигают именно Перепончатокрылые.

[Alexy]

Видел передачу, где говорилось, что у каких-то муравьёв молодая самка иммитиркет запах матки, проникает к ней и убивает настоящую матку (а потом отложенные ею яйца кажется). В результате она становится новой королевой ничего не подозревающих рабочих муравьев.

Но я отвлекся от передачи и теперь нахожусь в неведении:
Возможно имелась в виду самка, принадлежащая к другому виду муравьев, который таким образом паразитирует на тех видах, макток которых убивает?

[DNAoidea]

Бавает и своего вида и чужого - в перво случае это "государственый переворот", а во втором социальное паразитирование - рабочие будут воспитывать чужих личинок, принимая их за свои.

[Макроассемблер]

1. У насекомых эффективность продуцирования (процент энергии пищи, который уходит в биомассу) равна 30 – 40%, у рептилий – 10%, у млеков и птиц – 1 – 2%.

Откуда дровишки?

Почему у последних такая маленькая – это понятно (~93% энергии на поддержание температуры тела).

Я уже ссылку на Шмидт-Ниельсена давал, что это не так.

[Макроассемблер]

У насеков же высокий уровень эффективности продуцирования, если не ошибаюсь, связывают с особенностями дыхания.

Добавлю к этому, что у насекомых используется хитин - полисахарид, который содержит мало азота (одна аминогруппа на гексозу), что позволяет экономить аминокислоты.

Т.е., допустим, если бы эволюция позвоночных пошла другим путем и у них возникло трахейное дыхание, могли бы они достичь того же размерного класса, которого достигли настоящие позвоночные с легочным дыханием? Хотя бы размера крысы?

Поскольку никто не присособлен к крупному размеру лучше, чем позвоночные, то - да.

[Neska]

Думаю всё же, что трахейное дыхание, несмотря на то, что это расхожее мнение - не фактор, лимитирующий размер насекомых, поскольку воздух в трахеии может быть и нагнетён, как это, кстати, часто происходит с помощью воздушных мешков.

Что же тогда сдерживает выход насекомых в крупный размерный класс?

[Макроассемблер]

Что же тогда сдерживает выход насекомых в крупный размерный класс?

Больше всего - устройство скелета. Внешний скелет не может так просто расти, как внутренний, и насекомое уязвимо между линьками. Это еще полбеды (для относительно молодых групп вроде ос, у которых есть забота о потомстве, это не так страшно) . У наевшегося муравья брюхо может распирать так, что хитиновые щитки расходятся и между ними просвечивает светлое брюхо. В крупном размерном классе при более тяжких требованиях к прочности такие вещи не проходят.

[Илья]

Насекомое не может стать большим, и даже средним (с крысу или кошку) по одной простой причине: несмотря на успешность и многообразие, эта группа живых существ имеет серьёзные ограничения в строении и физиологии.
1. Дыхательная система. У позвоночных и головоногих моллюсков она представлена сравнительно компактными органами дыхания (жабры, лёгкие, а иногда дополнительно – кожа, как у лягушек), а кислород переносится к органам и тканям кровью, в которой есть пигменты, связывающие кислород. У насекомых органы дыхания – трахеи: трубочки, как корни пронизывающие всё тело. Они отдают кислород непосредственно тканям.
2. Непосредственно связанная с первой особенностью кровь (гемолимфа), лишённая дыхательных пигментов.
Почему это так важно? Просто при увеличении размеров вес (и потребность в кислороде) растут в кубе, а площадь дыхательной поверхности – лишь в квадрате (то есть, отстаёт). Подсчитано, что у насекомого размером с голубя трахеи заполнили бы всё тело, не оставив место другим органам. У насекомых обеспечение кислородом возможно лишь за счёт количественного увеличения дыхательной системы, в то время, как у иных беспозвоночных и позвоночных – ещё и за счёт совершенствования биохимии. Тот же наземный рак пальмовый вор, хоть и похож по механике на насекомое, но имеет в крови дыхательный пигмент, и вырастает до внушительных размеров. А насекомые-великаны – либо длинные и тонкие, либо плоские – чтобы объём тела был меньше.
3. Линька. Позвоночное растёт всю жизнь, а членистоногое – ступенчато. Покрытое твёрдым панцирем, оно растёт лишь в краткие перерывы, когда полиняет. Пока панцирь мягкий, он растягивается, и членистоногое увеличивается в размере. Но в этот момент даже гравитация опасна для членистоногого, ведь его панцирь – это скелет. И большое членистоногое может просто расплыться в лепёшку от собственного веса. А позвоночные растут постоянно и постепенно, всегда сохраняя прочность скелета.
4. Крылья. Насекомое растёт лишь тогда, когда линяет (так же, как рак или паук). Но на одной из стадий развития у насекомого появляются крылья. Для облегчения веса и улучшения лётных качеств они лишены живой ткани внутри, и не линяют – тонкому слою панциря просто не с чего отслоиться. Поэтому насекомые, обретя крылья, уже не растут.
5. Продолжительность жизни. Насекомое, обретя крылья, уже не вырастет. Стало быть, его клетки теперь не обновляются (а если и обновляются, то менее интенсивно, чем у прочих животных), и оно работает «на износ». И от этого оно живёт гораздо меньше.
Вот, примерно поэтому таракан не вырастет даже с кошку.

Вот в этом фильме еще говорится про какие-то проблемы с поступлением кислорода в конечности, типа в месте суствов очень мало места для прохождения трахей.

[DNAoidea]

Почему это так важно? Просто при увеличении размеров вес (и потребность в кислороде) растут в кубе, а площадь дыхательной поверхности – лишь в квадрате (то есть, отстаёт). Подсчитано, что у насекомого размером с голубя трахеи заполнили бы всё тело, не оставив место другим органам.

отставание площади от объёма - вообще проблема всего живого (собственно, будь это не так , то не было бы ни дыхательной, ни пищеварительной систем), и честно говоря не очень понятно почему трахеи должны заполнить всё тело, а того же самого не происходит с сосудами и лёгкими - трахеи ветвятся и очень сильно, стало быть дыхательная поверхность растёт - в чём проблема? Кроме того, жуки-голиафы к размеру голубя уже весьма близки, и ничего.

У насекомых обеспечение кислородом возможно лишь за счёт количественного увеличения дыхательной системы, в то время, как у иных беспозвоночных и позвоночных – ещё и за счёт совершенствования биохимии.

то есть?.. если речь про пигменты, то тогда подобное совершенствование возможно у нас, но никак не птиц или рыб, где использование кислорода ок. 90%. Сколько у насекомых, честно говоря не знаю, но кажется, тоже много, то есть совершенствоваться уже некуда. Если речь идёт о биохимических циклах, то насекомые тут как раз нас обставили - лактат в мышцах у них не накапливается...

3. Линька. Позвоночное растёт всю жизнь, а членистоногое – ступенчато. Покрытое твёрдым панцирем, оно растёт лишь в краткие перерывы, когда полиняет. Пока панцирь мягкий, он растягивается, и членистоногое увеличивается в размере. Но в этот момент даже гравитация опасна для членистоногого, ведь его панцирь – это скелет. И большое членистоногое может просто расплыться в лепёшку от собственного веса. А позвоночные растут постоянно и постепенно, всегда сохраняя прочность скелета.

вот это я думаю более весомая причина. И обойти эту преграду затруднительно - одновременно жёстким и растяжимым быть нельзя - только местами твёрдым, местами эластичным...

4. Крылья. Насекомое растёт лишь тогда, когда линяет (так же, как рак или паук). Но на одной из стадий развития у насекомого появляются крылья. Для облегчения веса и улучшения лётных качеств они лишены живой ткани внутри, и не линяют – тонкому слою панциря просто не с чего отслоиться. Поэтому насекомые, обретя крылья, уже не растут.

ну само по себе это не ограничивает размер никак, а только резко разделяет взрослую и личиночные стадии

5. Продолжительность жизни. Насекомое, обретя крылья, уже не вырастет. Стало быть, его клетки теперь не обновляются (а если и обновляются, то менее интенсивно, чем у прочих животных), и оно работает «на износ». И от этого оно живёт гораздо меньше.
Вот, примерно поэтому таракан не вырастет даже с кошку.

ну так и кошки это не осетровые рыбы и всю жизнь не растут, да и мы тоже... вообще, конечно, верно - те, кто растёт всю жизнь, те живут дольше - осетровые, карпы или многие из моллюсков тому пример, но из млекопитающих и птиц так вроде никто не поступает, но это не мешает иным птицам, которые "работают на износ" больше млекопитающих (обмен интенсивнее) жить по сто лет, ну или почти...

ой, Илья, спасибо за ссылку, но фильм большой, сейчас не могу скачать, увы... на следующей неделе, думаю.

[Роман Джиров]

1. У насекомых эффективность продуцирования (процент энергии пищи, который уходит в биомассу) равна 30 – 40%, у рептилий – 10%, у млеков и птиц – 1 – 2%. Почему у последних такая маленькая – это понятно (~93% энергии на поддержание температуры тела).

Это Вы что имеете ввиду под "процент энергии пищи, который уходит в биомассу"? Если коэффициент оплаты корма приростом живой массы ,то очень ошибаетесь, цифры недостоверны, свиньи, например, дают 1 кг прироста живой массы при затрате 4-4,2к.е.. (1к.е.= калорийности 1кг. овса). Это никак не 1-2%. А если считать по обменной энергии, то кажется мне еще лучше соотношение будет, бо 1кг живого веса животного содержит больше энергии ,чем 1кг овса.

Вопрос: является ли трахейное дыхание ограничивающим фактором в плане размеров? Т.е., допустим, если бы эволюция позвоночных пошла другим путем и у них возникло трахейное дыхание, могли бы они достичь того же размерного класса, которого достигли настоящие позвоночные с легочным дыханием? Хотя бы размера крысы?

Однозначно ограничивает. Для крупного животного это неэффективная в инженерном плане система. Да еще и для крупного животного трахеи были-бы очень толстыми на входе ,это сколько-же проблем с забиванием грязью, заливанием водой, сколько это места занимает, а какой там рай внутри для паразитов, грибков и т.д. А представьте себе ,как это неэстетично- все тело в дырках. 

2. Могут ли насеки испытывают гипоксию?

Да запросто: покройте их лаком ,например. Или утопите. Хоть-бы и в уксусе. А еще можно взять их за жабры и душить, душить... Шоб воздух в легкие не попадал.

3. Для производства одного кг свинины требуется в 2 раза меньше корма по сравнению с 1 кг говядины и еще меньше требуется корма для получения мяса бройлеров. Объясните, пожалуйста, почему так? Ведь степень "совершенства" пищеварительной системы у этих видов растет в обратном порядке, разве нет? На что коровы тратят так много энергии, им ведь легче поддерживать температуру тела?

Соотношение примерно такое, как Вы указали. А обьясняется это так: "совершенство" пищеварительной системы в указанном Вами плане нужно для переваривания "плохих" по качеству (перевариваемость, усваиваемость) кормов. Корова жрет траву, в ней полно воды, клетчатки и мало белка и углеводов. А ее организму нужно переработать эту гадость в белок и углеводы. В результате ей нужно иметь микроорганизмов-симбионтов, многокамерный желудок, длиннющий пищеварительный тракт... А это все лишние конструкции, которые тоже кушать хотят... И зубы, которыми нужно беспрерывно жевать , жевать, жевать... Тоже энергия тратится, между прочим. Низкокалорийного корма этого ей нужна целая куча, а запихнув его в желудок, его еще хочешь-не хочешь приходится нагревать до температуры тела. А птичка клюет зернышки- просто прелесть, концентрированные углеводы в виде крахмала, много белка... Лафа. И вся эта прелесть легко усваивается. А корм мы учитываем в кормовых единицах по его калорийности. А практическую доступность этой калорийности для практических целей не учитываем. Вот и имеем указанные вами выше соотношения.

[DNAoidea]

А представьте себе ,как это неэстетично- все тело в дырках. 

почему? чем дыхальца так не эффективнее ноздрей? тем что мы можем расширять объём за ними? а дыхательные мешки насекомым на что если не на тоже самое? а подвод к каждой клетке - так на деле разница в том, что у нас дыхательная поверхность сосредоточенна в лёгких, а у них рассеянна по всему телу. и у нас между ней и тканями вставленна кровь с её дыхательными пигментами...