33.1 Form og starfsemi dýra

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• lýst mismunandi líkamsgerðum sem finnast hjá dýrum
• lýst takmörkunum á stærð og lögun dýra
• tengt líforkufræði við líkamsstærð, virknistig og umhverfi

Dýr eru fjölbreytt að gerð og starfsemi. Frá svampi til orms og geitar hefur hver lífvera sérstaka líkamsgerð sem setur stærð hennar og lögun skorður. Líkamar dýra eru einnig lagaðir að samskiptum við umhverfi sitt, hvort sem það er í djúpsævi, í laufþaki regnskógar eða í eyðimörk. Því má læra mikið um byggingu líkama lífveru (líffærafræði) og starfsemi frumna, vefja og líffæra hennar (lífeðlisfræði) með því að rannsaka umhverfi lífverunnar.

Líkamsgerðir

Líkamsgerð dýra fylgir ákveðnum mynstrum sem tengjast samhverfu. Dýr geta verið ósamhverf, geislótt samhverf eða tvíhliða samhverf, eins og sýnt er á mynd 33.2. Ósamhverf dýr hafa ekkert ákveðið mynstur eða samhverfu; svampur er dæmi um ósamhverft dýr. Geislótt samhverfa, eins og sýnt er á mynd 33.2, lýsir því þegar dýr hefur efri og neðri stefnu: sérhver flötur sem skorinn er eftir lengdarás lífverunnar gefur jafna helminga, en enga afmarkaða hægri eða vinstri hlið. Þessi líkamsgerð finnst aðallega hjá vatnadýrum, sérstaklega lífverum sem festa sig við undirlag, svo sem klett eða bát, og ná fæðu sinni úr vatninu sem flæðir umhverfis þær. Tvíhliða samhverfa er sýnd á sömu mynd með geit. Geitin hefur einnig efri og neðri hluta, en flötur sem skorinn er frá framenda til afturenda skiptir dýrinu í afmarkaða hægri og vinstri hlið. Önnur hugtök sem notuð eru við lýsingu á staðsetningu í líkamanum eru framlægur (fremri), afturlægur (aftari), baklægur (í átt að baki) og kviðlægur (í átt að kvið). Tvíhliða samhverfa finnst bæði hjá landdýrum og vatnadýrum og gerir mikinn hreyfanleika mögulegan.

Takmarkanir á stærð og lögun dýra

Dýr með tvíhliða samhverfu sem lifa í vatni eru oft straumlínulaga: líkaminn er pípulaga og mjókkar í báða enda. Þessi lögun dregur úr viðnámi líkamans þegar hann hreyfist í vatni og gerir dýrinu kleift að synda hratt. Tafla 33.1 sýnir hámarkshraða ýmissa dýra. Sumar hákarlategundir geta synt á 50 km/klst. og sumir höfrungar á 32 til 40 km/klst. Landdýr fara oft hraðar, þó að skjaldbökur og sniglar séu mun hægari en blettatígrar. Annar munur á aðlögun vatna- og landlífvera er að vatnalífverur eru takmarkaðar í lögun af viðnámskröftum vatnsins, þar sem vatn hefur meiri seigju en loft. Landlífverur eru hins vegar einkum takmarkaðar af þyngdarafli og viðnám skiptir tiltölulega litlu máli. Til dæmis tengjast flestar aðlaganir fugla þyngdarafli en ekki viðnámi.

Flest dýr hafa ytri stoðgrind, þar á meðal skordýr, köngulær, sporðdrekar, skeifukrabbar, margfætlur og krabbadýr. Vísindamenn áætla að skordýr ein og sér telji yfir 30 milljónir tegunda á jörðinni. Ytri stoðgrind er hörð hlíf eða skel sem veitir dýrinu ávinning, svo sem vernd gegn skaða af völdum rándýra og gegn vatnstapi hjá landdýrum; hún veitir einnig festu fyrir vöðva.

Ytri stoðgrind liðdýrs er sterk og þolin ytri hlíf. Hún getur verið gerð úr sterkri fjölliðu, svo sem kítíni, og er oft lífsteindabundin með efnum eins og kalsíumkarbónati. Hún er samvaxin yfirhúð dýrsins. Innvextir ytri stoðgrindarinnar, sem kallast vöðvafestur, virka sem festistaðir fyrir vöðva, svipað og sinar hjá þróaðri dýrum (mynd 33.3). Til að vaxa verður dýrið fyrst að mynda nýja ytri stoðgrind undir þeirri gömlu og síðan losa sig við eða skipta um upprunalegu hlífina. Þetta takmarkar getu dýrsins til stöðugs vaxtar og getur takmarkað þroska einstaklingsins ef hamskipti eiga sér ekki stað á réttum tíma. Þykkt ytri stoðgrindarinnar þarf að aukast verulega til að mæta aukinni þyngd. Áætlað er að tvöföldun líkamsstærðar auki líkamsþyngd áttfalt. Aukin þykkt kítínsins sem þarf til að bera þessa þyngd takmarkar flest dýr með ytri stoðgrind við tiltölulega litla stærð. Sömu lögmál gilda um innri stoðgrindur, en þær eru skilvirkari vegna þess að vöðvar festast utan á þær og því er auðveldara að mæta auknum massa.

Stærð dýrs með innri stoðgrind ræðst af því hversu mikið stoðkerfi það þarf til að styðja við aðra vefi og hversu mikinn vöðvamassa það þarf til hreyfingar. Þegar líkamsstærð eykst eykst bæði bein- og vöðvamassi. Hraðinn sem dýrið getur náð ræðst af jafnvægi milli heildarstærðar þess og beinanna og vöðvanna sem veita stuðning og hreyfingu.

Takmarkandi áhrif flæðis á stærð og þroska

Skipti á næringarefnum og úrgangsefnum milli frumu og vatnskennds umhverfis hennar eiga sér stað með flæði. Allar lifandi frumur eru baðaðar í vökva, hvort sem þær eru í einfrumungi eða fjölfrumungi. Flæði er áhrifaríkt yfir ákveðna vegalengd og takmarkar þá stærð sem einstök fruma getur náð. Ef fruman er einfruma örvera, svo sem amaba, getur hún fullnægt allri þörf sinni fyrir næringarefni og losun úrgangsefna með flæði. Ef fruman er of stór verður flæði óskilvirkt; þá fær miðja frumunnar hvorki næg næringarefni né getur hún losað úrgang á áhrifaríkan hátt.

Mikilvægt hugtak til að skilja hversu skilvirkt flæði er sem flutningsmáti er hlutfall yfirborðs og rúmmáls. Rifjum upp að sérhver þrívíður hlutur hefur yfirborðsflatarmál og rúmmál; hlutfallið milli þessara tveggja stærða er yfirborðs-rúmmálshlutfallið. Hugsum okkur frumu sem er fullkomin kúla: yfirborðsflatarmál hennar er 4πr² og rúmmál hennar er (4/3)πr³. Yfirborðs-rúmmálshlutfall kúlu er 3/r; eftir því sem fruman stækkar minnkar yfirborðs-rúmmálshlutfall hennar og flæði verður minna skilvirkt. Því stærri sem kúlan, eða dýrið, er, þeim mun minna yfirborðsflatarmál hefur hún til flæðis.

Lausnin við því að mynda stærri lífverur er að þær verði fjölfruma. Sérhæfing verður í flóknum lífverum og gerir frumum kleift að sinna færri verkefnum á skilvirkari hátt. Til dæmis flytja blóðrásarkerfi næringarefni og fjarlægja úrgang en öndunarkerfi sjá frumum fyrir súrefni og fjarlægja koltvíoxíð frá þeim. Önnur líffærakerfi hafa þróað frekari sérhæfingu frumna og vefja og stjórna líkamsstarfsemi á skilvirkan hátt. Yfirborðs-rúmmálshlutfall á einnig við um önnur svið í þroskun dýra, svo sem samband vöðvamassa og þverskurðarflatarmáls við stuðning stoðgrinda og samband vöðvamassa við myndun og losun varma.

Tengill á námsefni

Farðu á þessa síðu til að sjá hraðmynd af þroskun sebrafisks.

Líforkufræði dýra

Öll dýr verða að fá orku úr fæðu sem þau innbyrða eða taka upp. Þessum næringarefnum er breytt í adenósínþrífosfat (ATP) til skammtímageymslu og notkunar í öllum frumum. Sum dýr geyma orku í aðeins lengri tíma sem glýkógen og önnur geyma orku mun lengur sem þríglýseríð í sérhæfðum fituvef. Ekkert orkukerfi er hundrað prósent skilvirkt og efnaskipti dýrs mynda afgangsorku í formi varma. Ef dýr getur varðveitt þennan varma og viðhaldið tiltölulega stöðugum líkamshita er það flokkað sem jafnheitt dýr og kallast innvermi. Einangrunin sem varðveitir líkamshita er í formi felds, fitu eða fjaðra. Skortur á einangrun hjá útvermum dýrum eykur háð þeirra á umhverfinu fyrir líkamshita.

Magn orku sem dýr eyðir á tilteknum tíma kallast efnaskiptahraði. Hraðinn er mældur á ýmsa vegu, í júlum, hitaeiningum eða kílóhitaeiningum (1.000 hitaeiningum). Kolvetni og prótein innihalda um 4,5 til 5 kcal/g og fita inniheldur um 9 kcal/g. Efnaskiptahraði er áætlaður sem grunnefnaskiptahraði (BMR) hjá innvermum dýrum í hvíld og sem staðlaður efnaskiptahraði (SMR) hjá útvermum dýrum. Karlar hafa BMR upp á 1.600 til 1.800 kcal/dag og konur hafa BMR upp á 1.300 til 1.500 kcal/dag. Jafnvel með einangrun þurfa innverm dýr mikla orku til að viðhalda stöðugum líkamshita. Útvermi eins og krókódíll hefur SMR upp á 60 kcal/dag.

Orkuþörf tengd líkamsstærð

Minni innverm dýr hafa stærra yfirborðsflatarmál miðað við massa en stærri dýr (mynd 33.4). Þess vegna tapa minni dýr varma hraðar en stærri dýr og þurfa meiri orku til að viðhalda stöðugum innri hita. Af því leiðir að minna innvermt dýr hefur hærri BMR á hverja líkamsþyngdareiningu en stærra innvermt dýr.

Orkuþörf tengd virknistigi

Því virkara sem dýr er, þeim mun meiri orku þarf til að viðhalda þeirri virkni og þeim mun hærri er BMR eða SMR þess. Meðalorkunotkun á dag er um það bil tvö- til fjórfaldur BMR eða SMR dýrsins. Menn lifa kyrrsetulífi í meira mæli en flest dýr og hafa meðalorkunotkun á dag sem er aðeins 1,5 sinnum BMR. Fæða innverms dýrs ræðst af BMR þess. Til dæmis hefur tegund grasa, laufa eða runna sem jurtaæta etur áhrif á fjölda hitaeininga sem hún tekur inn. Hlutfallslegt hitaeiningainnihald fæðu jurtaæta, í lækkandi röð, er hávaxin grös > belgjurtir > lágvaxin grös > blómjurtir (breiðblaða plöntur sem eru ekki grös) > hálfrunnar > einærar/tvíærar plöntur.

Orkuþörf tengd umhverfi

Dýr aðlagast öfgum í hitastigi eða fæðuframboði með dvala. Dvali er ferli sem leiðir til minni virkni og hægari efnaskipta og gerir dýrum kleift að lifa af erfiðar aðstæður. Dýr geta nýtt dvala í langan tíma, til dæmis með því að leggjast í vetrardvala yfir vetrarmánuðina; þá geta þau viðhaldið lækkuðum líkamshita. Í vetrardvala geta jarðíkornar náð kviðarhita upp á 0 °C (32 °F), en innri hita bjarnar er haldið hærri, eða um 37 °C (99 °F).

Ef dvali á sér stað yfir sumarmánuðina, þegar hitastig er hátt og lítið vatn er að fá, kallast hann sumardvali. Sum eyðimerkurdýr nota sumardvala til að lifa af hörðustu mánuði ársins. Dvali getur einnig átt sér stað daglega; það sést hjá leðurblökum og kólibrífuglum. Þótt jafnhiti smærri dýra takmarkist af yfirborðs-rúmmálshlutfalli geta sumar lífverur verið smærri og samt verið innvermar vegna þess að þær nýta dægurdoða yfir kaldasta hluta dagsins. Þetta gerir þeim kleift að spara orku á kaldari hlutum dagsins, þegar þær nota meiri orku til að viðhalda líkamshita sínum.

Líkamsfletir og líkamshol dýra

Standandi hryggdýri má skipta með nokkrum flötum. Langskurðarflötur skiptir líkamanum í hægri og vinstri hluta. Miðlangskurðarflötur skiptir líkamanum nákvæmlega um miðju og myndar tvo jafna helminga, hægri og vinstri. Ennisflötur, einnig kallaður kransflötur, aðskilur framhlið frá bakhlið. Þverskurðarflötur, eða láréttur flötur, skiptir dýrinu í efri og neðri hluta. Þetta er stundum kallað þversnið, og ef þverskurðurinn er á ská kallast það skáskurðarflötur. Mynd 33.5 sýnir þessa fleti á geit, sem er ferfætt dýr, og manni.

Hryggdýr hafa nokkur skilgreind líkamshol, eins og sýnt er á mynd 33.6. Tvö þeirra eru meginhol sem innihalda smærri hol. Baklægt líkamshol inniheldur kúpuhol og mænuhol. Kviðlægt líkamshol inniheldur brjósthol, sem aftur inniheldur fleiðruholið umhverfis lungun og gollurshússholið, sem umlykur hjartað. Kviðlægt líkamshol inniheldur einnig kvið- og grindarhol, sem má skipta í kviðarhol og grindarhol.

Starfsvettvangur

Líffræðilegur mannfræðingur

Líffræðilegir mannfræðingar rannsaka aðlögun, breytileika og þróun manna auk núlifandi og steingerðra ættingja þeirra. Þeir geta starfað á ýmsum vettvangi, þótt flestir hafi akademíska stöðu við háskóla, yfirleitt í mannfræðideild eða líffræði-, erfðafræði- eða dýrafræðideild.

Störf utan háskóla eru í boði í bíla- og flugiðnaði, þar sem áherslan er á stærð, lögun og líffærafræði mannsins. Rannsóknir þessara sérfræðinga geta spannað allt frá rannsóknum á því hvernig mannslíkaminn bregst við bílslysum til þess að kanna hvernig gera megi sæti þægilegri. Önnur störf utan háskóla geta fengist á náttúruminjasöfnum, mannfræði-, fornleifa- eða vísinda- og tæknisöfnum. Þessi störf fela í sér fræðslu fyrir nemendur frá grunnskóla til framhaldsnáms. Líffræðilegir mannfræðingar starfa sem fræðslustjórar, safnstjórar eða umsjónarmenn safnkosts, höfundar safnútgáfa og stjórnendur. Dýragarðar ráða þessa sérfræðinga, sérstaklega ef þeir hafa sérþekkingu á líffræði prímata; þeir vinna við umsjón safnkosts og ræktunaráætlanir fyrir tegundir í útrýmingarhættu sem haldið er í dýragörðum. Réttarvísindi nýta sérþekkingu í líffræðilegri mannfræði við að bera kennsl á líkamsleifar manna og dýra, aðstoða við að ákvarða dánarorsök og veita sérfræðivitnisburð í réttarhöldum.