Aktuální číslo:

2024/4

Téma měsíce:

Obaly

Obálka čísla

Fyzikové vysvětlují biologii

 |  5. 8. 1999
 |  Vesmír 78, 473, 1999/8

Jedním z důsledků evoluce je neuvěřitelná bohatost života: velikost organizmů se rozprostírá přes 21 řádů: od 10–13 gramů (mikrobi) do 108 gramů (velryby). Biologové si koncem minulého století povšimli pozoruhodného škálovacího vztahu: čím větší zvíře, tím déle žije. Biolog Max Rubner roku 1883 odvodil, že energie potřebná na jednotku hmoty živočicha by měla být nepřímo úměrná třetí odmocnině jeho hmoty. Max Kleiber však roku 1932 na základě přesných měření experimentálně zjistil, že pro mnoho organizmů je specifický metabolizmus (tj. energie na jednotku hmoty) nepřímo úměrný čtvrté odmocnině (popř. že délka života je přímo úměrná čtvrté odmocnině). Slon váží zhruba 10 000krát více než slepice. Jeho srdce bije 10krát pomaleji než srdce slepice. A protože srdce do svého vyčerpání zvládne jednu až dvě miliardy tepů, není divu, že slon žije déle než slepice.

Kleiberův zákon (viz obrázek) platí pro nesmírně mnoho živočichů. Touhu nalézt jeho vysvětlení ještě prohloubil Brian Enquist, když zjistil, že stejný škálovací zákon platí pro metabolizmus rostlin. Záhada tohoto škálovacího zákona – proč čtvrtá odmocnina a nikoli třetí a proč vůbec tento vztah platí – zaujala také fyzika vysokých energií Geoffreye Westa. Spolu s Enquistem a Jamesem Brownem soustředil svoji pozornost na cirkulaci živin: kapiláry mají podobnou velikost jak u slona, tak u slepice, jak u borovice, tak u sedmikrásky. V roce 1997 odvodili Kleiberův škálovací zákon pouze ze znalosti fraktálů, fyziky kapilár a hydrodynamiky kapalin v trubicích. Jejich model predikoval nejen délku života, ale např. i velikost aorty, hustotu kapilár a velikost srdce.

Tím však fyzikové neskončili. Jiná skupina – J. Banavar, A. Maritan a A. Rinaldo – považovala Westův model za komplikovaný a odvodila Kleiberův zákon bez použití fraktální geometrie. West však ve stejné době svůj model vylepšil právě využitím fraktální geometrie. Říká dokonce: zatímco genetický kód se v historii života vyvinul pouze jednou, fraktálovité distribuční sítě, které poskytují dodatečný čtvrtý efektivní rozměr, se objevily mnohokrát. Příkladem mohou být povrchy listů, žáber, plic, střev, ledvin, chloroplastů nebo mitochondrií, větvící se architektura stromů, hub, polypovců a lilijic právě tak jako stromovitá struktura různých dýchacích a oběhových systémů. Přestože živé organizmy obývají třírozměrný prostor, jejich vnitřní fyziologie a anatomie funguje, jako by byly čtyřrozměrné.

Science 284, 1607–1608, 1677–1679, 1999;

Nature 399, 130, 1999

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Biologie
RUBRIKA: Aktuality

O autorovi

Ivan Boháček

Mgr. Ivan Boháček (*1946) absolvoval Matematicko-fyzikální fakultu UK v Praze. Do roku 1977 se zabýval v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského molekulovou spektroskopií, do roku 1985 detektory ionizujících částic v pevné fázi v Ústavu pro výzkum, výrobu a využití radioizotopů. Spolu s Z. Pincem a F. Běhounkem je autorem knihy o fyzice a fyzicích Newton by se divil (Albatros, Praha 1975), a se Z. Pincem pak napsali ještě knihu o chemii Elixíry života a smrti (Albatros, Praha 1976). Ve Vesmíru působí od r. 1985.
Boháček Ivan

Doporučujeme

Přírodovědec v ekosystému vědní politiky

Přírodovědec v ekosystému vědní politiky uzamčeno

Josef Tuček  |  2. 4. 2024
Petr Baldrian vede Grantovou agenturu ČR – nejvýznamnější domácí instituci podporující základní výzkum s ročním rozpočtem 4,6 miliardy korun. Za...
Od krytí k uzavření rány

Od krytí k uzavření rány

Peter Gál, Robert Zajíček  |  2. 4. 2024
Popáleniny jsou v některých částech světa až třetí nejčastější příčinou neúmyslného zranění a úmrtí u malých dětí. Život výrazně ohrožují...
Česká seismologie na poloostrově Reykjanes

Česká seismologie na poloostrově Reykjanes

Jana Doubravová, Jakub Klicpera  |  2. 4. 2024
Island přitahuje návštěvníky nejen svou krásnou přírodou, ale také množstvím geologických zajímavostí, jako jsou horké prameny, gejzíry a aktivní...