Почему эволюция часто благоволит маленьким животным и другим организмам

Малые размеры действительно кажутся выигрышными в эволюционном плане. Крупнейшие динозавры, птерозавры и млекопитающие впечатляют, но эти гиганты бесконечно уступают в численности микроскопическим бактериям, одноклеточным водорослям и грибам. Малые организмы также древнее и невероятно устойчивее.

Первые свидетельства существования одноклеточных организмов датируются примерно 3,8 млрд лет назад. Многоклеточные животные эволюционировали менее миллиарда лет назад, а более крупные и сложные появились чуть более полумиллиарда лет назад. Бóльшую часть истории Земли на ней доминировали организмы размером не более диаметра человеческого волоса.

Крупные животные обычно дольше растут и достигают зрелости, поэтому размножаются медленнее. Если у мышей короткое время генерации (время от рождения до способности дать потомство) — около 12 недель, то у слонов — ближе к 25 годам.

Крупные виды, как правило, эволюционируют медленнее и могут хуже справляться с долгосрочными изменениями окружающей среды. Они также чаще проигрывают в массовых вымираниях. После удара астероида, уничтожившего динозавров 66 млн лет назад, не выжило ничего крупнее домашней кошки.

Огромный размер требует большей специализации и замедляет размножение, что снижает шансы пережить катаклизмы. Например, крупным позвоночным нужны непропорционально толстые кости и большие мышцы. Землеройка размером со слона сломала бы ноги, попытайся она ходить.

Неудивительно, что многие группы животных, по-видимому, возникали при относительно малых размерах, а их ранние представители обычно были крошечными. Сестринской группой крылатых насекомых являются мельчайшие ногохвостки (в основном менее 6 мм), а микроскопические тихоходки — сестринская группа членистоногих (включая пауков и ракообразных) и бархатных червей.

Ранние млекопитающие и некоторые из первых динозавров (например, эораптор длиной менее двух метров) также были относительно малы по сравнению со своими более поздними, часто гигантскими родственниками.

Зачем тогда вообще увеличиваться?

У больших размеров много преимуществ. Крупное животное может легче избегать хищников (у слонов и китов мало врагов, кроме человека), охотиться, побеждать в конкуренции и переживать временные трудности.

Крупные организмы также лучше сохраняют тепло (из-за относительно меньшей площади поверхности) и имеют больший потенциал для развития интеллекта.

Но ученые считают, что существует верхний предел размера клетки. Механика клеточного деления нарушается при очень малых и очень больших размерах.

Всем живым существам также приходится считаться с универсальным физическим ограничением, отмеченным Галилео Галилеем. У более крупных клеток, как правило, меньше площадь поверхности на единицу объема. Это означает, что естественного движения (диффузии) молекул газов, питательных веществ и отходов в клетку и из нее недостаточно для поддержания жизнедеятельности без транспортной системы. В больших клетках этим молекулам также приходится преодолевать большее расстояние.

Таким образом, построение более крупного организма предполагает две вещи. Во-первых, объединение множества клеток для совместной работы. Во-вторых, специализацию разных клеток для разных задач — включая структурную поддержку, переваривание пищи и перемещение таких веществ, как O₂ и CO₂.

Альтернатива — стать плоским или нитевидным (как волосатики) либо тонким и плоским (как плоские черви). Этим животным не нужна внутренняя транспортная система, так как ни одна из их клеток (или их содержимого) не находится далеко от окружающего воздуха или воды.

Палеонтолог Эдвард Коп (1840–1897) предположил, что особи в пределах всех линий имеют тенденцию увеличиваться в размерах в ходе эволюции. Хотя это верно в статистическом смысле, есть много исключений, и массовые вымирания часто «сбрасывают» размеры к меньшему краю спектра.

Если построить распределение размеров для почти любой крупной группы животных, обнаружится выраженная положительная асимметрия: большинство видов гораздо ближе к минимальному, чем к максимальному размеру в своей родительской группе, а крупных видов относительно мало. Например, видов насекомых (около 5 млн) больше, чем всех других групп животных вместе взятых, что делает их, возможно, самой успешной группой животных на Земле.

Большинство насекомых — жуки, со средней длиной тела около 6 мм. Гиганты, такие как жук-геркулес (17 см в длину) и жук-слон (13 см в длину), чрезвычайно редки.

Малый размер позволяет животным занимать больше экологических ниш и делиться ресурсами, «упаковывая» больше видов и особей в одно и то же пространство обитания. Насекомые — мастера этой стратегии.

Кроткие унаследуют Землю — и не только

Несмотря на тенденцию к увеличению размеров, простейшие и мельчайшие организмы по-прежнему обладают множеством невероятных способностей, которых лишены более крупные формы жизни.

Многие из этих миниатюрных «экстремофилов» могут выживать в условиях, губительных для большинства других форм жизни.

Некоторые археи (одноклеточные организмы без ядра) выдерживают температуры свыше 200°C у гидротермальных источников, в то время как другие виды процветают в водах с высокой концентрацией соли, кислоты или щелочи. Точно так же крошечные тихоходки выдерживают температуры от 150°C до -200°C, вакуум космоса, высушивание в течение десятилетий и дозы радиации в 1000 раз больше смертельных для человека.

Существуют даже крошечные нематоды, способные жить под двумя милями твердой породы.

Некоторые ученые считают, что микробы могут пережить межпланетные путешествия внутри метеоритов. Ученые также полагают, что любая жизнь, которую мы найдем в других местах Солнечной системы, может иметь общее происхождение с жизнью на Земле — начавшись с малого.