33.1: Форма та функція тварин

Навички для розвитку

• Опишіть різні типи планів тіла, які відбуваються у тварин
• Опишіть обмеження на розмір і форму тварини
• Пов'язати біоенергетику з розміром тіла, рівнем активності та навколишнім середовищем

Тварини розрізняються за формою і функціями. Від губки до хробака до кози організм має чіткий план тіла, який обмежує його розміри та форму. Тіла тварин також призначені для взаємодії з їхнім середовищем, будь то в глибокому морі, навісі тропічних лісів чи пустелі. Тому великий обсяг інформації про будову організму (анатомію) і функції його клітин, тканин і органів (фізіологія) можна дізнатися, вивчивши навколишнє середовище цього організму.

Плани тіла

Плани тіла тварин слідують встановленим зразкам, пов'язаним з симетрією. Вони асиметричні, радіальні або двосторонні за формою, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Асиметричні тварини - тварини без малюнка або симетрії; прикладом асиметричної тварини є губка. Радіальна симетрія, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), описує, коли тварина має орієнтацію вгору-вниз: будь-яка площина, розрізана вздовж її поздовжньої осі через організм, виробляє рівні половини, але не певну праву або ліву сторону. Цей план зустрічається в основному у водних тварин, особливо організмів, які прикріплюються до основи, як скеля або човен, і витягують свою їжу з навколишньої води, коли вона тече навколо організму. Двостороння симетрія ілюструється на цьому ж малюнку козлом. У кози також є верхня і нижня складова до нього, але площина, розрізана спереду назад, розділяє тварину на певні праву і ліву сторони. Додатковими термінами, що використовуються при описі положень в тілі, є передня (передня), задня (задня), спинна (до спини) і вентральна (до шлунка). Двостороння симетрія зустрічається як у наземних, так і у водних тварин; вона забезпечує високий рівень рухливості.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Тварини проявляють різні типи симетрії тіла. Губка асиметрична, морська анемона має радіальну симетрію, а у кози двостороння симетрія.

Обмеження розміру та форми тварин

Тварини з двосторонньою симетрією, які живуть у воді, як правило, мають веретеноподібну форму: це тіло трубчастої форми, яке звужується з обох кінців. Ця форма зменшує тягу на тілі, коли воно рухається по воді і дозволяє тварині плавати на високих швидкостях. У таблиці нижче вказана максимальна швидкість різних тварин. Певні види акул можуть плавати зі швидкістю п'ятдесят кілометрів на годину, а деякі дельфіни - від 32 до 40 кілометрів на годину. Наземні тварини часто подорожують швидше, хоча черепаха і равлик значно повільніше гепардів. Ще одна відмінність у адаптації водних та наземних організмів полягає в тому, що водні організми обмежені у формі силами опору у воді, оскільки вода має вищу в'язкість, ніж повітря. З іншого боку, наземні організми обмежені головним чином гравітацією, а опір відносно неважливий. Наприклад, більшість пристосувань у птахів призначені для гравітації, а не для перетягування.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Максимальна швидкість асорті сухопутних і морських тварин

Тварина	Швидкість (км/год)	Швидкість (миль/год)
Гепард	113	70
Чверть коня	77	48
Лисиця	68	42
Короткоплавник мако акула	50	31
Домашній домашній кіт	48	30
Людський	45	28
Дельфін	32—40	20—25
Миша	13	8
Равлик	0,05	0,03

Більшість тварин мають екзоскелет, включаючи комах, павуків, скорпіонів, підковових крабів, багатоніжок і ракоподібних. Вчені підрахували, що одних лише комах на нашій планеті налічується понад 30 мільйонів видів. Екзоскелет - це тверде покриття або оболонка, яка забезпечує користь тварині, такі як захист від пошкоджень від хижаків та від втрати води (для наземних тварин); він також передбачає прикріплення м'язів.

Як жорсткий і стійкий зовнішній покрив членистоногого, екзоскелет може бути побудований з жорсткого полімеру, такого як хітин, і часто біомінералізується такими матеріалами, як карбонат кальцію. Це зливається з епідермісом тварини. Вростання екзоскелета, звані аподемами, функціонують як місця кріплення м'язів, схожі на сухожилля у більш просунутих тварин (рис.\(\PageIndex{2}\)). Для того, щоб рости, тварина повинна спочатку синтезувати новий екзоскелет під старим, а потім пролити або линяти вихідне покриття. Це обмежує здатність тварини постійно рости і може обмежити здатність людини дозрівати, якщо линька не відбувається в належний час. Товщина екзоскелета повинна бути значно збільшена, щоб вмістити будь-яке збільшення ваги. Підраховано, що подвоєння розміру тіла збільшує масу тіла у вісім разів. Зростаюча товщина хітину, необхідна для підтримки цієї ваги, обмежує більшість тварин з екзоскелетом до відносно невеликих розмірів. Ті ж принципи стосуються ендоскелетів, але вони більш ефективні, оскільки м'язи кріпляться зовні, що полегшує компенсацію збільшеної маси.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Аподеми - це вростання на членистоногих екзоскелетах, до яких прикріплюються м'язи. Аподеми на цій крабовій ніжці розташовані вище і нижче точки опори кігтя. Скорочення м'язів, прикріплених до аподемів, тягне кіготь закритим.

Тварина з ендоскелетом має свій розмір, який визначається кількістю скелетної системи, яка їй потрібна для підтримки інших тканин та кількості м'язів, необхідних для руху. Зі збільшенням розміру тіла збільшуються як кісткова, так і м'язова маса. Швидкість, досяжна твариною, - це баланс між його загальним розміром і кісткою і м'язами, які забезпечують підтримку і рух.

Граничний вплив дифузії на розмір і розвиток

Обмін поживними речовинами та відходами між клітиною та її водянистим середовищем відбувається в процесі дифузії. Всі живі клітини купаються в рідині, будь то в одноклітинному організмі або багатоклітинному. Дифузія ефективна на певній відстані і обмежує розмір, який може досягти окрема клітина. Якщо клітина є одноклітинним мікроорганізмом, таким як амеба, вона може задовольнити всі свої потреби в поживних речовині та відходах шляхом дифузії. Якщо клітина занадто велика, то дифузія неефективна і центр клітини не отримує достатніх поживних речовин і не здатний ефективно розвіяти свої відходи.

Важливою концепцією розуміння того, наскільки ефективною є дифузія як транспортний засіб, є співвідношення поверхні до обсягу. Нагадаємо, що будь-який тривимірний об'єкт має площу поверхні і об'єм; відношення цих двох величин - відношення поверхні до обсягу. Розглянемо клітинку у формі досконалої сфери: вона має площу поверхні 4πr ², а об'єм (4/3) πr ³. Співвідношення поверхні до об'єму сфери становить 3/r; коли клітина стає більшою, її співвідношення поверхні до об'єму зменшується, що робить дифузію менш ефективною. Чим більше розмір сфери, або тварини, тим меншою площею поверхні для дифузії вона володіє.

Рішення для виробництва більших організмів полягає в тому, щоб вони стали багатоклітинними. Спеціалізація відбувається на складних організмах, що дозволяє клітинам ставати більш ефективними при виконанні менших завдань. Наприклад, системи кровообігу приносять поживні речовини і виводять відходи, в той час як дихальні системи забезпечують клітини киснем і виводять з них вуглекислий газ. Інші системи органів розвинули подальшу спеціалізацію клітин і тканин і ефективно контролюють функції організму. Більше того, співвідношення поверхні до обсягу застосовується до інших областей розвитку тварин, таких як взаємозв'язок між м'язовою масою та площею поверхні поперечного перерізу в опорних скелетах, а також у взаємозв'язку між м'язовою масою та генерацією розсіювання тепла.

Біоенергетика тварин

Всі тварини повинні отримувати свою енергію з їжі, яку вони ковтають або поглинають. Ці поживні речовини перетворюються в аденозинтрифосфат (АТФ) для короткочасного зберігання і використання всіма клітинами. Деякі тварини зберігають енергію трохи довше як глікоген, а інші зберігають енергію набагато довше у вигляді тригліцеридів, що містяться в спеціалізованих жирових тканині. Жодна енергосистема не є стовідсотковою ефективною, а метаболізм тварини виробляє відпрацьовану енергію у вигляді тепла. Якщо тварина може зберегти це тепло і підтримувати відносно постійну температуру тіла, вона класифікується як теплокровна тварина і називається ендотермою. Ізоляція, що використовується для збереження тепла тіла, поставляється у вигляді хутра, жиру або пір'я. Відсутність ізоляції у ектотермічних тварин збільшує їх залежність від навколишнього середовища для тепла тіла.

Кількість енергії, витраченої твариною за певний час, називається його швидкістю метаболізму. Норма вимірюється по-різному в джоулі, калорії або кілокалорії (1000 калорій). Вуглеводи і білки містять близько 4,5 - 5 ккал/г, а жир містить близько 9 ккал/г Швидкість метаболізму оцінюється як швидкість основного метаболізму (BMR) у ендотермічних тварин в спокої і як стандартна швидкість метаболізму (SMR) в ектотермах. Чоловічі чоловіки мають BMR від 1600 до 1800 ккал/день, а людські жінки мають BMR від 1300 до 1500 ккал/день. Навіть при ізоляції ендотермічні тварини вимагають великої кількості енергії для підтримки постійної температури тіла. Ектотерма, така як алігатор, має SMR 60 ккал/день.

Енергетичні вимоги, пов'язані з розміром тіла

Менші ендотермічні тварини мають більшу площу поверхні для своєї маси, ніж більші (рис.\(\PageIndex{3}\)). Therefore, smaller animals lose heat at a faster rate than larger animals and require more energy to maintain a constant internal temperature. This results in a smaller endothermic animal having a higher BMR, per body weight, than a larger endothermic animal.

Figure \(\PageIndex{3}\): The mouse has a much higher metabolic rate than the elephant. (credit “mouse”: modification of work by Magnus Kjaergaard; credit “elephant”: modification of work by “TheLizardQueen”/Flickr)

Energy Requirements Related to Levels of Activity

The more active an animal is, the more energy is needed to maintain that activity, and the higher its BMR or SMR. The average daily rate of energy consumption is about two to four times an animal’s BMR or SMR. Humans are more sedentary than most animals and have an average daily rate of only 1.5 times the BMR. The diet of an endothermic animal is determined by its BMR. For example: the type of grasses, leaves, or shrubs that an herbivore eats affects the number of calories that it takes in. The relative caloric content of herbivore foods, in descending order, is tall grasses > legumes > short grasses > forbs (any broad-leaved plant, not a grass) > subshrubs > annuals/biennials.

Energy Requirements Related to Environment

Animals adapt to extremes of temperature or food availability through torpor. Torpor is a process that leads to a decrease in activity and metabolism and allows animals to survive adverse conditions. Torpor can be used by animals for long periods, such as entering a state of hibernation during the winter months, in which case it enables them to maintain a reduced body temperature. During hibernation, ground squirrels can achieve an abdominal temperature of 0° C (32° F), while a bear’s internal temperature is maintained higher at about 37° C (99° F).

If torpor occurs during the summer months with high temperatures and little water, it is called estivation. Some desert animals use this to survive the harshest months of the year. Torpor can occur on a daily basis; this is seen in bats and hummingbirds. While endothermy is limited in smaller animals by surface to volume ratio, some organisms can be smaller and still be endotherms because they employ daily torpor during the part of the day that is coldest. This allows them to conserve energy during the colder parts of the day, when they consume more energy to maintain their body temperature.

Animal Body Planes and Cavities

A standing vertebrate animal can be divided by several planes. A sagittal plane divides the body into right and left portions. A midsagittal plane divides the body exactly in the middle, making two equal right and left halves. A frontal plane (also called a coronal plane) separates the front from the back. A transverse plane (or, horizontal plane) divides the animal into upper and lower portions. This is sometimes called a cross section, and, if the transverse cut is at an angle, it is called an oblique plane. Figure \(\PageIndex{4}\) illustrates these planes on a goat (a four-legged animal) and a human being.

Figure \(\PageIndex{4}\): Shown are the planes of a quadruped goat and a bipedal human. The midsagittal plane divides the body exactly in half, into right and left portions. The frontal plane divides the front and back, and the transverse plane divides the body into upper and lower portions.

Vertebrate animals have a number of defined body cavities, as illustrated in Figure \(\PageIndex{5}\). Two of these are major cavities that contain smaller cavities within them. The dorsal cavity contains the cranial and the vertebral (or spinal) cavities. The ventral cavity contains the thoracic cavity, which in turn contains the pleural cavity around the lungs and the pericardial cavity, which surrounds the heart. The ventral cavity also contains the abdominopelvic cavity, which can be separated into the abdominal and the pelvic cavities.

Figure \(\PageIndex{5}\): Vertebrate animals have two major body cavities. The dorsal cavity, indicated in green, contains the cranial and the spinal cavity. The ventral cavity, indicated in yellow, contains the thoracic cavity and the abdominopelvic cavity. The thoracic cavity is separated from the abdominopelvic cavity by the diaphragm. The thoracic cavity is separated into the abdominal cavity and the pelvic cavity by an imaginary line parallel to the pelvis bones. (credit: modification of work by NCI)

Career Connections: Physical Anthropologist

Physical anthropologists study the adaption, variability, and evolution of human beings, plus their living and fossil relatives. They can work in a variety of settings, although most will have an academic appointment at a university, usually in an anthropology department or a biology, genetics, or zoology department.

Non-academic positions are available in the automotive and aerospace industries where the focus is on human size, shape, and anatomy. Research by these professionals might range from studies of how the human body reacts to car crashes to exploring how to make seats more comfortable. Other non-academic positions can be obtained in museums of natural history, anthropology, archaeology, or science and technology. These positions involve educating students from grade school through graduate school. Physical anthropologists serve as education coordinators, collection managers, writers for museum publications, and as administrators. Zoos employ these professionals, especially if they have an expertise in primate biology; they work in collection management and captive breeding programs for endangered species. Forensic science utilizes physical anthropology expertise in identifying human and animal remains, assisting in determining the cause of death, and for expert testimony in trials.

Summary

Animal bodies come in a variety of sizes and shapes. Limits on animal size and shape include impacts to their movement. Diffusion affects their size and development. Bioenergetics describes how animals use and obtain energy in relation to their body size, activity level, and environment.

Glossary

apodeme

ingrowth of an animal’s exoskeleton that functions as an attachment site for muscles

asymmetrical

describes animals with no axis of symmetry in their body pattern

basal metabolic rate (BMR)

metabolic rate at rest in endothermic animals

dorsal cavity

body cavity on the posterior or back portion of an animal; includes the cranial and vertebral cavities

ectotherm

animal incapable of maintaining a relatively constant internal body temperature

endotherm

animal capable of maintaining a relatively constant internal body temperature

estivation

torpor in response to extremely high temperatures and low water availability

frontal (coronal) plane

plane cutting through an animal separating the individual into front and back portions

fusiform

animal body shape that is tubular and tapered at both ends

hibernation

torpor over a long period of time, such as a winter

midsagittal plane

plane cutting through an animal separating the individual into even right and left sides

sagittal plane

plane cutting through an animal separating the individual into right and left sides

standard metabolic rate (SMR)

metabolic rate at rest in ectothermic animals

torpor

decrease in activity and metabolism that allows an animal to survive adverse conditions

transverse (horizontal) plane

plane cutting through an animal separating the individual into upper and lower portions

ventral cavity

body cavity on the anterior or front portion of an animal that includes the thoracic cavities and the abdominopelvic cavities