Слоны вынашивают беременность до двух лет. Самки некоторых видов рыб голодают неделями, держа во рту десятки икринок и мальков. А беременные женщины обычно месяцами терпят усталость и тошноту. Это лишь несколько примеров того, что воспроизводство требует от матерей энергии во всем животном царстве.
Однако, по словам Дастина Маршалла, эколога и эволюционного биолога из Университета Монаша в Мельбурне (Австралия), исследователи, возможно, сильно недооценивали энергию, необходимую для размножения. Дополнительная энергия, которая требуется человеку для рождения ребенка, может быть в 24 раза больше, чем предполагали некоторые авторитетные математические модели, пишут Маршалл и его коллеги в недавно опубликованном исследовании. Для животных, которые зависят от внешних источников тепла, чтобы регулировать температуру своего тела, называемых эктотермами, разница не столь велика. Например, для пампасной змеи (Tomodon dorsatus) это значение примерно в четыре раза больше. А для морской мойвы (Mallotus villosus) - в два раза.
Эти выводы - не просто курьез. Исследователи используют математические модели, чтобы изучить, как меняются энергетические потребности в течение жизни животных - например, во время роста, питания и размножения. А они, в свою очередь, служат основой для объяснения причин эволюции видов, например, количества потомства или преимуществ живорождения перед откладыванием яиц.
Работа сотрудников Маршалла предполагает, что в оценках энергетических потребностей размножения в этих моделях часто упускается из виду или недооценивается энергия, затрачиваемая матерями на выращивание и вынашивание потомства - иногда это называют «косвенными» затратами на размножение, в отличие от прямых затрат, энергии, вложенной и сохраненной в потомстве.
Это все равно что считать, что энергия, необходимая для приготовления пончика, равна калориям в самом пончике, и игнорировать топливо, необходимое для его приготовления.
Полученные результаты, по словам Маршалла, могут повлиять на теории об особенностях образа жизни животных и улучшить прогнозы о том, как животные будут реагировать на изменение климата. «Величина этих скрытых затрат действительно поражает воображение, - считает эколог и эволюционный биолог Лорен Бакли из Университета Вашингтона.
В 2020 году группа Маршалла решила просмотреть десятки исследований, проведенных с 1930-х по 2000-е годы, в которых измерялась либо скорость потребления энергии беременными и небеременными самками, либо энергия, аккумулируемая непосредственно в потомстве. В итоге они собрали достаточно данных, чтобы рассчитать косвенные и прямые затраты на воспроизводство для 81 вида - от микроскопических коловраток, до рыб, змей и людей.
Например, для получения данных о людях исследователи опирались на работу 2004 года, в которой измерялась скорость метаболизма у людей до и во время беременности. Они использовали эти данные для оценки дополнительной энергии, необходимой в течение девяти месяцев беременности, - косвенных затрат - и объединили их с оценкой прямых затрат, таких как общее содержание энергии в организме новорожденного ребенка.
Данные о скорости метаболизма собрать нелегко. Чтобы измерить расход энергии беременными женщинами, исследователи отслеживают, сколько кислорода они потребляют и сколько углекислого газа выдыхают. Например, в исследовании 2007 года Райан Сэмюэл из Университета Южной Дакоты и его коллеги поместили на сутки пять беременных свиней в отдельные герметичные стеклянные камеры с трубками, по которым поступал и выходил воздух. «Как аспиранту, участвовавшему в проекте, мне приходилось оставаться на ночь и следить за животными», - говорит Сэмюэл, которому приходилось проверять, комфортно ли свиньям и работает ли оборудование.
Помимо ночных смен, есть и другие проблемы, которые затрудняют отслеживание энергопотребления во время беременности на периоды, превышающие один день. «Если бы это было дольше, то вам пришлось бы придумать, как удалять экскременты и отходы жизнедеятельности свиней, не нарушая герметичности камеры», - говорит он. Неудивительно, что такие измерения редко встречаются в литературе, отмечает Маршалл.
Вместо этого специалистам по моделированию было проще рассчитать энергию, запасенную в потомстве, - просто оценив количество костей, жира и белка в теле потомства и соединив это с известным содержанием энергии в этих компонентах. Разработчики моделей предположили, что эта сумма равна энергетическим затратам на воспроизводство. Некоторые модели включали оценку косвенных затрат, но предполагалось, что они составляют от 5 до 25% от общей энергии, затраченной на воспроизводство, в зависимости от модели. Однако группа Маршалла обнаружила, что косвенные затраты на воспроизводство часто намного выше прямых - вопреки предположениям предыдущих моделей.
У млекопитающих у которых плацента часто растет для обеспечения кислородом и питательными веществами и удаления отходов, а также для поддержания стабильной внутренней температуры тела, исследователи обнаружили, что косвенные затраты составляют примерно 90% от общих энергетических затрат на воспроизводство. В потомстве содержится всего 10% всей энергии. У человека 96% из 208 000 килоджоулей (или почти 50 000 килокалорий), необходимых для воспроизводства, приходится на косвенные затраты. В отличие от них, эктотермы вкладывают в косвенные расходы меньшую часть своего общего бюджета репродуктивной энергии, обнаружили исследователи. У эктотерм, рождающих живых детенышей, косвенные затраты составляют в среднем около 55% репродуктивной энергии.
«Для млекопитающих косвенные затраты на рождение детей огромны - поразительно видеть, насколько они отличаются от других организмов», - комментирует эволюционный биолог Дэвид Резник из Калифорнийского университета. Если учесть отлучение детей от груди после рождения - например, дополнительную энергию, необходимую для производства молока, - то затраты будут еще больше».
Среди эктотермов исследователи обнаружили, что виды, откладывающие яйца, такие как антарктический криль (Euphausia superba), тратят меньше своей репродуктивной энергии на косвенные расходы (производство и вынашивание яиц), чем те, которые рождают живую молодь. «Когда вы переходите к живорождению, косвенные затраты значительно возрастают - это затраты на то, чтобы дольше держать детеныша внутри себя, передвигаться и переносить его», - объясняет Резник.
Планктонные коловратки (здесь показаны при увеличении ×100) были одним из самых мелких видов, изученных в ходе исследования затрат на размножение. Фото: Frank Fox/Science Photo Library.
Прочитав статью Маршалла, исследователи были удивлены тем, что никто раньше не оценивал косвенные затраты. «Большинство людей говорят, что задним числом кажется очевидным, что эти затраты должны были существовать - хотя никто не предполагал, что они будут настолько высокими», - добавляет Маршалл. Другие же, по его словам, удивлены тем, что в математических расчетах жизни такие затраты считались нулевыми или низкими. Нехватка женщин в этой области могла привести к тому, что исследователи стали уделять меньше внимания косвенным затратам на воспроизводство, предполагает Маршалл. Бакли отмечает, что ее также не удивляет, что в области, где работают в основном мужчины, можно пренебречь моделированием этих издержек.
По мнению Асты Аудзиджоните из Университета Тасмании (Австралия), которая занимается моделированием жизнедеятельности рыб в условиях изменения климата, более масштабные оценки энергии должны быть включены в модели жизни животных. Маршалл полагает, что на внесение этих изменений потребуется время, поскольку переписывание моделей - дело непростое. Но, в свою очередь, это может изменить вес доказательств в пользу некоторых теорий о том, почему животные живут так, как они живут, например, о том, что рыбы достигают максимального размера тела, чтобы сохранить энергию для воспроизводства, говорит он.
Новые оценки использования репродуктивной энергии могут также улучшить прогнозы эволюции видов в условиях изменения климата, говорит Аудзиджоните. Это связано с тем, что модели прогнозирования учитывают такие факторы, как потребность в энергии при размножении, то, как тепло изменяет скорость реакций в организме животных, и то, насколько крупными вырастают животные.
Исследование Маршалла и его сотрудников - это лишь первый шаг к количественной оценке затрат на размножение во всем животном мире. Из-за скудных данных исследователям часто приходилось экстраполировать затраты на беременность на основе измерений, сделанных всего в нескольких временных точках во время беременности, что ограничивает точность их оценок, отмечает Маршалл. По его словам, в будущем потребуются исследования, измеряющие косвенные затраты на воспроизводство в течение всего периода беременности. «Надеюсь, многие из нас приложат усилия для более точной количественной оценки этих косвенных затрат», - добавляет Бакли.
