Шмидт-Нильсен, Кнут

Родился 24 сентября 1915 года в Тронхейме в семье химиков Сигвала Шмидт-Нильсена и Сигне Штурцен-Беккер. В 1937 году перед окончанием университета Осло Шмидт-Нильсен стажировался в Копенгагене в лаборатории нобелевского лауреата Августа Крога, который стал впоследствии его научным руководителем. Крог предложил ему исследовать механизмы осморегуляции ракообразных в градиенте солёности^[7].

В 1939 году Кнут Шмидт-Нильсен опубликовал в соавторстве с отцом свою первую научную работу по результатам изучения питания и роста озёрной форели. В 1946 году защитил докторскую диссертацию по всасыванию жиров в кишечнике и переехал в США^[7][8].

В период с 1946 по 1952 год работал научным сотрудником в Суортмор-колледже (1946—1948) и Стэнфордском университете (1948—1949), а затем доцентом в Медицинском колледже Университета Цинциннати (1949—1952)^[9][10]. С 1952 года Шмидт-Нильсен работал профессором кафедры зоологии в Университете Дьюка^[11]. С 1980 по 1986 был президентом Международного союза физиологических наук^[8].

Шмидт-Нильсен известен как один из крупнейших в мире специалистов по физиологии животных. В 1970 году Шмидт-Нильсен стал одним из организаторов регулярных Международных конференций по сравнительной физиологии, которые проводились раз в два года^[11].

Работы по изучению адаптаций животных к условиям пустыни были начаты Шмидт-Нильсеном совместно с Пером Шоландером и Лоуренсом Ирвингом^[7][8].

Шмидт-Нильсен раскрыл физиологические механизмы выживания верблюдов в пустыне. Он доказал, что их способность обходиться без воды обеспечивается комплексом уникальных адаптаций. Среди них — значительные вариации температуры тела: верблюды способны накапливать тепло днём, допуская повышение температуры до 41 °C, и рассеивать его ночью (до 34 °C), что позволяет экономить до 5 литров воды в день. Густая шерсть служит эффективной теплоизоляцией, замедляя нагрев тела (эксперименты показали, что остриженный верблюд теряет на 50 % больше влаги). Для сбережения влаги при дыхании используются большие извилистые носовые проходы, в которых влага из выдыхаемого воздуха конденсируется, позволяя животному выдыхать сухой воздух. Кроме того, верблюды способны переносить экстремальное обезвоживание (потерю воды до 30 % от массы тела), сохраняя при этом нормальный объём крови для предотвращения перегрева внутренних органов^[12].

Исследуя кенгуровых прыгунов, учёный описал механизм носового противоточного теплообмена, минимизирующий потери воды и тепла. В сложных носовых раковинах грызунов существует температурный градиент. При вдохе сухой воздух охлаждает носовые ходы за счёт испарения влаги со слизистой оболочки, а при выдохе тёплый воздух из лёгких проходит над охлаждённой поверхностью, в результате чего водяной пар конденсируется и вода сохраняется в организме. Эта высокоэффективная система позволяет животному при температуре 15 °C рекуперировать до 83 % воды и 88 % тепла, затраченных на увлажнение и нагрев вдыхаемого воздуха^[13][14].

В 1957 году, изучая морских птиц, Шмидт-Нильсен обнаружил особые железы, с помощью которых они избавляются от избытка соли^[15][16]. Эти органы наиболее развиты у чаек, буревестников, альбатросов, бакланов и других видов, позволяя им поддерживать водно-солевой баланс при потреблении морской воды^[17][18][19].

Принцип работы солевых желёз основан на активном транспорте ионов натрия из крови^[16][17]. Важной особенностью их функционирования является противоточная система: кровеносные капилляры оплетают секреторные трубки таким образом, что кровь течёт в направлении, противоположном току выделяемой жидкости^[16]. Благодаря этому механизму железы эффективно концентрируют соль и вырабатывают гипертонический раствор, который выводится в носовую полость и каплями стекает через ноздри^{[16][17][18][19]}.

Совместно с Уильямом Бретцем Шмидт-Нильсен показал, что благодаря трубчатому строению лёгких птиц воздух движется в них в одном направлении, втекая на одном конце трубок и выходя на другом. Это приводит к улучшению газообмена^[8].

Ещё одним направлением исследований Шмидт-Нильсена было изучение различий в размерах тела для животных. Было установлено, что с увеличением массы тела животного потребление кислорода в расчёте на один килограмм массы тела уменьшается. Такая зависимость универсальна для бегающих, летающих и плавающих животных, при этом максимальные энерготраты характерны для бега, а минимальные для плавания^[8].

В книге «Scaling: Why is Animal Size so Important?» (1984) он раскрыл фундаментальное значение размера тела животных и принципов масштабирования (аллометрии). Шмидт-Нильсен показал, что физические законы, такие как диффузия, теплопередача, распределение силы, прочность структур и динамика локомоции, играют в функционировании организмов не менее важную роль, чем химические процессы. Размер тела выступает ключевым фактором, который определяет морфологию, физиологию и способы передвижения животных, задавая строгие физические ограничения для их жизнедеятельности^[20][21].