יתרונות וחסרונות לגודל בביולוגיה

מתוך אקו-ויקי, מקום מפגש בנושאי אקולוגיה, חברה וכלכלה.
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

יתרונות וחסרונות לגודל בביולוגיה נוגעים למצבים שבהם יצורי חי בודד או קבוצה של יצורים נהנים מיתרונות לגודל עד לגבול מסויים. דוגמאות לכך כוללות גודל גוף גדול יותר כיתרון או התקבצות בעלי חיים בלהקה או בעדר. ברוב המקרים היתרון מגיע עד לגבול מסויים, ואז מתחילים חסרונות שונים שמגבילים את הגודל.

ראו גם יתרון לגודל בהקשר של כלכלה.

סיבות יסוד להבדלי תפקוד בגלל שינויי גודל

אפשר להבחין בין יתרונות לגודל פנים-קבוצתיים (שאינם תלויים בסביבה החיצונית) לבין כאלה שתלויים ביחס בין גודל הקבוצה לבין הסביבה. השאלה היא האם יש יחס כללי בין הוצאות האנרגיה לצורכי תחזוקה פנימית לשמירת הומוסטטיס לבין מושג של גודל (יחס נפח-שטח פנים).

יחס נפח -שטח פנים וזרימת חום

בגוף תלת-מימדי כמו כדור, גליל הנפח גדל בחזקה שלישית יחסית לרדיוס שלו, אבל המעטפת גדלה בחזקה שנייה יחסית לרדיוס שלו. לכן כאשר מסתכלים על כדור גדול יותר, גדל היחס בין הנפח לשטח-הפנים. והיחס בין השטח להיקף גדל עם גודל המעגל. מסיבות אלה כאשר יש צורך לצמצם את זרימת החום מגוף מסויים אל סביבתו (או להפך), יש יתרון אנרגטי לגודל בגלל הירידה בשטח הפנים היחסי, ככל שהמאסה גדלה.

דוגמה אחת לנושא הזה הוא הקשר בין מאסת גוף של בעל חיים בעל דם-חם לבין כמות המזון החודשית היחסית שהוא זקוק לאכול. ככל שייצור חי גדול יותר, עולה היחס בין המסה שלו (התלויה בנפח), לשטח פנים שלו. אובדן חום של יצור חי תלוי בשטח הפנים שלו, יצור בעל יחס מאסה\שטח פנים נמוך יותר הוא יעיל יותר מבחינה אנרגטית בהיבט זה - אם ברצונו לשמור על טמפרטורה אחידה (הנחוצה ליצורים ביולוגים בכלל וליצורים בעלי דם חם בפרט) הוא יכול להסתפק בפחות קלוריות יחסית ליחידת מאסה. במילים אחרות, הוא צריך לאכול מזון (בעל קיבולת אנרגיה מסויימת למשקל) משקל נמוך יותר יחסית למסת גופו. לדוגמה חדף צריך לאכול בכל יום פי אחד וחצי ממשקל גופו, פיל אוכל כמות גדולה של מזון אבל משקל המזון מהווה אחוזים בודדים ממשקלו. זאת היות וחדפים מאבדים חום במהירות אל סביבתם דרך המעטפת שלהם.

כלל ברגמן הוא כלל בביולוגיה קובע כי פרטים המצויים באזורים קרים יהיו לרוב כבדים יותר, מפרטים אחרים מאותו הסוג המצויים באזורי אקלים חמים. כלל זה קרוי על שמו של כריסטיאן ברגמן. באופן דומה, זנים באותו מין או מינים באותו סוג ביולוגי יהיו גדולים יותר באזורים קרים יותר. גודלם של הפרטים גדל, כדי להנות מבידוד משופר. עם זאת, יש מגבלות על גודלם של יצורים חיים, בעיקר ביבשה בגלל מהירות תנועה. דובי קוטב מדגימים את שני ההיבטים הללו. הם הדובים הגדולים ביותר בעולם ונהנים מבידוד משופר יחסית לדובים אחרים. מצד שני בגלל גודלם תזוזה שלהם עולה בהרבה אנרגיה, ולכן הם יוותרו על מרדף אחרי טרף קטן במהירות.

פינגווינים קיסריים זכרים שנאלצים להתמודד עם טמפרטורה קרה באנטרקטיקה בזמן הדגירה על הביצים, מתקבצים במבנה עגול ומהודק ושומרים על תחלופה של פינגווינים שנמצאים בשולי המבנה. באופן כזה זרימת יש אובדן חום נמוך יותר.

צמצום שטח פנים מול מתקפה

עדר של אלפי אווזי שלג. מחד העדר מהווה מטרה גדולה וקלה לזיהוי, וכן הוא מכלה משאבים בצורה מהירה. מאידך, הפרטים בקצה העדר מהווים שומרים המתריעים על התקרבות טורפים בפני כל העדר. תופעה דומה קיימת בלהקות דגים, אשר סיגלו גם יכולות תמרון מרשימות. תופעת ההתקהלות בלהקות גדולות מתקיימת גם בעונת הרבייה אף במינים שאינם מתקהלים בדרך כלל לצרכי מציאת בני זוג והגנה על צאצאים

התכנסות בעדרים גדולים היא דוגמה ליישום נוסף של יתרון לגודל המבוסס על יחס שטח-היקף או יחס נפח-שטח פנים. הגדלת מספר הפרטים בקבוצה מובילה הקטנת היחס נפח-שטח פנים לצמצום הסיכוי של כל פרט להימצא בשוליי העדר. במקרה זה, היתרון לגודל תלוי במספר הפרטים (בעלי תפקוד הומוגני) המשתתפים בקבוצה אחת. יתרון נוסף נוגע לכך שעדר גדול יוכל להסתכל לכיוונים שונים בו זמנית. כמו כן בעלי החיים יודעים שהם צריכים להסתכל רק אל מחוץ לעדר ולא לכיוון העדר.

דוגמה ליישום היבט זה היא לצורכי הגנה מאוייבים של עדרי יונקים אוכלי עשב ביבשה (שטח-היקף) או של להקת דגים (נפח-שטח פנים). דוגמאות נוספות כוללות להקות ציפורים. במקרים אלה העדפה תהיה למבנה דמוי מעגל, (או במבנה אנושיים ריבוע) להעצמת האפקט של צמצום שטח הפנים - כך יורד אחוז הפרטים שנמצאים בשולי הקבוצה וחשופים למתקפה.

חסרון מרכזי של עדר גדול הוא כילוי מהיר של משאבים במקום אחד, והצורך לנדוד למקום אחר (דבר שדורש אנרגיה, וכן מגדיל את הסיכוי להיות מופתעים על ידי טורפים). כמו כן העדר הגדול מושך טורפים שקל להם לאתר קבוצה גדולה של בעלי חיים. חסרון נוסף לגודל של עדרים נובע מקשיי תמרון, כך פרטים בעדר הבורח מטורף עלולים להיות מוגבלים בתנועה שלהם בגלל פרטים אחרים. מינים בעדרים מוצאים דרכים להתרעה מוקדמת ולתאום בין חברי העדר, כאשר הדוגמה הבולטת לכך היא להקות של דגים מסויימים המסוגלות לפנות בין רגע לכיוון אחר.

דוגמאות אחרות כוללות קבוצות וקהילות שיתופיות של נברנים כמו נבחנית או שפני סלע אשר מעמידים שומרים, וכן קבוצות של שימפנזים או פילים שחיים בקבוצות בעלות שיתופי פעולה. במקרים אלה יש יתרונות נוספים לגודל שנובעים שיתופי פעולה, ומצד שני, יש גם חסרונות נוספים כמו צורך בהנהגה שמקבלת החלטות ולכן חשיבות גדולה לקשרים בין הפרטים ולהיררכיה (דבר שאינו קיים בעדר).

היבט דומה של הקטנת שטח פנים לצורכי הגנה הדדית קיימת בצבאות בעלי טכנולוגית לחימה של אלות, חרבות, וכידונים. דוגמה מפורסמת להיבט זה היא הפלאנקס הרומאי (שיש לו מבנה מרובע).

במקרים של טורפים או מתקפה יש נטיה הפוכה. הטורפים מנסים להגדיל את שטח הפנים של הקבוצה התוקפת ככל האפשר. מקרים אלה הם ציד בלהקה, רובאים או קשתים מתקיפים, קומביין, זרועות ציד - קיימת פריסה דמויית שורה או זרועות. עד גודל מסויים יש יתרונות לגודל, כאשר הקבוצה באה מכיוונים שונים ומרכזת את הטרף אל מקום אחד. דוגמה למצב בו רוצים שטח פנים מקסימלי היא בשיווק, הפצת מידע או באיסוף מידע.

שימוש במאגרים להבטחת חוסן

ממגורה מהמאה ה-19. מאגר מאפשר לצלוח בשלום תקופות ארוכות יותר של משבר ולכן הוא מסייע להשגת חוסן. מאגרים גדולים יותר מאפשרים התמודדות עם משברים גדולים וארוכים יותר.

לפעמים ניתן לאגור מלאים בתוך מאגרים. המאגרים משמשים כ"בופרים" או סוג של ביטוח שמאפשרים להמשיך בתפקוד תקין, או לאפשר זרימה חלקה גם בזמן תקופות שיבושים או שינויים בגודל הזרם הנכנס או היוצא. באותו גודל ממוצע של זרימה, חשיבותו של מאגר תהיה גדולה יותר ככל שיש שונות בגודל הזרימה. דבר זה מבטיח תכונה של חוסן למערכת - יכולת התמודדות מול משבר - בדרך כלל בדמות מחסור במזון. דוגמאות של אגירת מזון חיצונית קיימת בקרב נמלים, וסנאים. החסרון של מאגר זה הוא שיש להגן עליו מפני בעלי חיים אחרים וכן מפני תנאי מזג אוויר שעלולים לקלקל אותו. דוגמה עוד יותר נפוצה של אגירת אנרגיה היא שכבות שומן בקרב בעלי חיים רבים. במיוחד הדבר בולט בקרב גמלים ודובים. במקרים אלה השומן משמש כמאגר פנימי להתגוננות מפני מחסור עקב סביבה עויינת (שנת חורף בקרב דובים, סביבה צחיחה בקרב דובים). מסיבה זו הן בקרב בעלי חיים והן בקרב בני אדם שמצויים בסביבה עם מחסור במזון (ציידים לקטים, חקלאות קיום) שומן נחשב כסימן לבריאות.

בגלל ההבדלים של יחס מעטפת-לנפח יצורים גדולים יותר יכולים לאגור יותר אנרגיה בגופם ולהתמודד טוב יותר עם עונות קשות כמו חורף (במדינות קרות). צמחים יכולים לאגור מים לעונות יבשות. יצורים קטנים לעומת זאת עוברים עונות קשות אלו על ידי מצב של תרדמה או של שימוש במעטפת עבה יותר או הטלת ביצים או זרעים שיש להן מטבוליזם איטי יותר והגנה חזקה יותר (נמלים לדוגמה) או על ידי שימוש במאגר חיצוני (סנאים).

עבודה עם כמויות גדולות מאפשרת איפסון בתנאים הומוגניים ללא חשיבות לסדר הפנימי, של חומרי הגלם והתוצרים. בגלל יחס מעטפת -נפח או היקף-שטח - דבר זה משתפר ככל שהשטח גדל - יש צורך בכמות גדר נמוכה יותר למטר רבוע אדמה, ומחסן שנבנה עבור תוצרת גדל כתלות בשטח-פנים (ושטח שעליו משלמים), אבל מספק נפח אחסון.

החסרונות של מאגרים הוא שיש צורך לנהל אותם ולתחזק אותם, והם כרוכים בבלאי. עצם העובדה שהם מהווים מאגר של דבר מה נחוץ מושכת טפילים, גנבים או יצורים ביולוגים אחרים שרוצים להנות מהמאגר. אסמים וממגורות מושכים חולדות, מיכלי דלק הם נקודת תורפה צבאית, על ממגורות יש להגן מפני מזיקים, מאגרי מים חשופים לזיהום ולאידוי ועלולים לגרום לסכנת שטפונות וכו'.

יכולת תחזוקה של מעטפות חזקות יותר

יצורים גדולים יותר יכולים להחזיק שריון עבה יותר. שריון זה הוא כבד יותר יחסית למשקל הגוף יחסית ליצורים קטנים, אבל כנגד טורפים ההגנה החשובה של השריון הוא עוביו המוחלט.

מצד שני ככל שבעל החיים גדול יותר, המשקל היחסי של השריון ביחס לגוף הוא גדול יותר, זו אחת הסיבות המרכזיות לכך שאין חרקים בעלי גודל ענק.

יכולת רתימת אנרגיה מתפרצת

יצורים גדולים יותר יכולים להפעיל לחץ פיזי גדול יותר (מעיכה) או לרתום כוח חזק יותר להפעלת שרירים, שיניים טפרים וכו'. הדבר יכול לשמש כהגנה נגד טורפים או לשם טריפה או לשם שינוי של הסביבה בה היצור חי.