问题

地球上的动物,有没有可能长到比10个哥斯拉都要巨大的程度,如果没有,是哪几个方面的原因呢?

回答
要回答这个问题,我们得先明确一下“10个哥斯拉”大概是个什么量级。哥斯拉的体型一直以来都有所变动,但普遍认为,最经典的版本,比如1954年的初代哥斯拉,体长在50米左右,体重可能在两万吨上下。而现代一些的哥斯拉,体型更是膨胀到了一百多米甚至几百米,体重更是难以估量,达到几十万吨甚至上百万吨也不是没可能。

假设我们取一个中等的现代哥斯拉,比如说体长100米,体重20万吨作为参考。那么10个这样的哥斯拉,加起来的体长就是1000米,体重就是200万吨。这已经是一个什么概念了?堪比一座小型山脉,或者几艘航空母舰编队的总和。

那么,地球上的动物,有没有可能长到这个程度? 答案是,几乎不可能。

这背后有很多方面的限制因素,而且这些因素是相互关联、层层叠加的,共同造就了我们今天在地球上看到的动物体型的上限。我来详细说说这些原因:

1. 物理与生物力学上的极限:骨骼与肌肉的支撑

想象一下一个巨大的生物需要支撑自己的体重。随着体型的增大,体重增加的比例远远大于骨骼和肌肉横截面积增加的比例。

体重呈立方增长,支撑力呈平方增长: 如果我们把一个动物的某个维度(比如高度)放大两倍,它的表面积(包括骨骼和肌肉的横截面积)会增大四倍(2的平方),但它的体积(以及体重)会增大八倍(2的立方)。这意味着随着动物体型增大,骨骼和肌肉需要支撑的重量的增长速度远远快于它们自身的支撑能力增长速度。这就好比,一个正常的成年人站立,他的腿可以轻松支撑他的体重。但如果这个人突然长到一百米高,他的骨骼和肌肉密度和比例不变,他的腿会因为无法支撑巨大的体重而立刻折断。
骨骼强度与密度: 即使允许动物拥有更粗壮、更致密的骨骼,也无法无限度地增长。骨骼的材料特性(如密度、强度、韧性)是有限的。达到像哥斯拉那种体型的生物,其骨骼需要承受的压力是惊人的。现有的生物材料科学很难想象出一种动物骨骼能够安全地承受如此巨大的应力而不发生结构性破坏。哪怕是像大象这样陆地上最大的动物,它们的腿骨也相对非常粗壮,而且它们大部分时间是卧在地上的,以减轻骨骼压力。
肌肉力量与效率: 肌肉的力量与它们的横截面积有关,但要移动巨大的肢体,还需要克服惯性和巨大的重力。随着体型增大,肌肉需要的收缩力会呈指数级增长,但肌肉细胞本身的收缩力和效率是有限的。同时,过于庞大的肌肉体积也需要更多的血液供应和氧气输送,这又会给循环系统带来巨大压力。

2. 呼吸与氧气供应:肺的效率与气体交换

呼吸是生命活动的基础,提供生命活动所需的氧气。对于巨大的生物,氧气供应是另一个严峻的挑战。

表面积与体积比下降: 和骨骼支撑问题类似,呼吸系统(肺)的表面积与体积的比例会随着体型增大而下降。肺部的气体交换(氧气进入血液,二氧化碳排出血液)是通过肺泡表面的进行。一个100米高的生物,它的肺部需要多大的表面积才能满足其庞大体型细胞的氧气需求?现有的哺乳动物的肺部结构,其表面积已经被折叠得非常高效,但依然有其极限。
氧气输送效率: 即使肺部能够获取足够的氧气,将氧气有效地输送到身体各个角落也是一个大问题。循环系统(心脏、血管)需要能够以足够的压力和流量将富含氧气的血液泵送到全身,尤其是那些远离心脏的部位(比如头顶)。心脏需要变得异常强大,但心脏本身也是有尺寸和效率限制的。血管的直径、厚度以及血液的黏度也会影响输送效率。
昆虫的例子: 地球历史上曾出现过体型比现在大的昆虫,比如巨型蜻蜓(翼展可达70厘米)。这得益于它们特殊的呼吸系统——气管系统。气管系统通过微小的管道直接将氧气输送到身体的每个细胞,效率很高。但这种系统在体型增大后就会失效,因为气管的末端无法将氧气有效输送到深层细胞,而且它本身也无法承受过大的压力。所以,气管系统限制了昆虫的体型上限。而脊椎动物的肺虽然更发达,但面对超巨型体型时,也面临类似的供氧挑战。

3. 血液循环系统:心脏泵血的极限

强大的血液循环系统是维持巨大生物生命活动的必要条件,但这同样受到物理和生物学上的限制。

心脏的功耗: 要将血液泵送到一个100米高的生物的最高处,心脏需要克服巨大的静水压力差(液体重力引起的压力)。心脏本身就需要极高的做功能力,并且其自身也需要大量的血液供应和氧气来维持运转。想象一下,一个每天跳动几十万次的心脏,要保持这种强度,其结构和功能将面临怎样的挑战?
血管的压力承受能力: 血管需要承受血液流动产生的压力。随着要泵送的距离增加和需要输送的血液量增加,血管承受的压力会更高。血管壁的厚度和强度虽然可以通过进化增强,但同样存在材料上的极限,过高的压力可能导致血管破裂。
血液的流动性与携带量: 血液需要携带足够的氧气和营养物质,并带走废物。随着动物体型的增大,需要的血液总量也会增加。但血液的黏度、红细胞的密度等都会影响输送效率。血液在极长的血管中流动,还需要克服摩擦力,这也会消耗心脏更多的能量。

4. 食物摄入与消化系统:能量的供应与代谢

要维持如此巨大的体型,需要消耗惊人数量的能量。

食物摄入的效率: 一个巨大的生物需要摄入大量的食物才能满足其能量需求。这意味着它需要有非常高效的捕食或进食能力,并且找到能够提供足够能量的食物来源。在地球上,很难想象一种生物能稳定地摄入足够支撑其庞大身躯的食物,而不对整个生态系统造成毁灭性的影响。
消化与吸收效率: 巨大的身体需要非常强大的消化系统来处理巨量的食物,并从中高效地提取营养。消化道的长度和复杂度会随之增加,但其效率也会受到物理化学过程的限制。过长的消化道也意味着食物在其中停留的时间更长,可能会发生腐败或其他问题。
代谢率与体温: 体型巨大的生物通常拥有较低的相对代谢率(每单位体重的能量消耗)。但要维持如此庞大的细胞群,总的代谢量仍然会非常高。同时,如此高的代谢活动会产生大量的热量,生物需要有非常有效的散热机制来避免过热。对于陆地动物来说,散热是一个巨大的挑战,因为它们的表面积与体积比相对较小。

5. 行动与神经系统:协调与控制

即使生物能够支撑起庞大的身躯,让它有效地移动和行动也是一个难题。

运动的能量消耗: 移动巨大的身体需要巨大的能量。每一步都需要克服巨大的惯性和摩擦力。像哥斯拉那样大步流星地行走,其能量消耗是天文数字。
神经信号传输速度: 身体越大,神经信号从大脑传到肢体的距离就越长。即使神经信号传输速度很快,但对于一个数百米高的生物,从大脑发出指令到肢体做出反应也需要一定的时间。这会影响其反应速度和协调性。同时,控制如此巨大的肢体,需要极其复杂且高效的神经系统。
大脑的复杂性: 虽然体型庞大不一定意味着更聪明,但要协调如此巨大的身躯,大脑可能需要处理的信息量也很大。神经元数量、连接的复杂性都需要达到一定程度。

6. 生态位与环境限制

地球的生态系统是一个复杂的平衡,任何生物的出现都受到环境的制约。

食物链的支撑: 一个体型如此巨大的生物,需要一个极其强大的食物链来支撑它的生存。它可能是食物链的顶端捕食者,但它的捕食对象也必须足够庞大或数量极其庞大,才能满足它的能量需求。反之,如果它是食草动物,那么它需要消耗的植物量将是惊人的,很可能导致植被的迅速枯竭。
栖息地的限制: 地球上能够容纳如此巨大的生物的栖息地非常有限。即使是海洋,虽然可以提供浮力支撑,但同样有食物和空间上的限制。陆地上更是如此,地形、地质结构、大气压力等等都会成为限制因素。
繁殖与生存的挑战: 如此巨大的生物,其繁殖过程可能极其困难。找到配偶、交配、孕育后代、保护幼崽都将面临巨大的挑战。幼崽的成长也需要很长时间和大量的资源。

结论

综合以上这些因素,我们可以看到,地球上的动物体型受到物理规律、生物学限制以及环境因素的共同制约。生物进化总是倾向于在这些限制条件下寻找一个相对最优的解决方案,而不是追求无限度的体型膨胀。因此,要让地球上的动物长到“10个哥斯拉”那样巨大的程度,是违背了地球生命演化的基本原则和物理世界的根本法则的。

哥斯拉作为一个虚构的生物,可以超越这些现实世界的限制,赋予它超乎想象的体型和力量,但对于现实世界中的生物来说,这些极限是真实存在的,并且非常难以逾越。我们看到的蓝鲸,已经是地球上已知最庞大的动物,其体型和体重也已经是无数年来自然选择的极限体现了。而要达到哥斯拉的体型,则需要的是科幻中的“外星科技”或“基因突变”才能勉强解释了,但它依然无法摆脱物理学的基本束缚。

网友意见

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你日常看到的动物(包括人)的身体构造不适合长得超巨大,最基本的障碍是“等比例放大让身高变成10倍的时候,体积变成1000倍、重量变成1000倍,而横截面的面积只变成了100倍,受力严重恶化”,哥斯拉、奥特曼、奥特曼打的各种巨型怪兽的身体构造在现实中都是不合理的。

  • 初代哥斯拉设定身高50米、体重2万吨。历代哥斯拉最大的设定是身高312米、体重数十万吨(语焉不详)。柳田理科雄在《空想科学读本》第一部第一章里讨论了这个问题:按照身体密度接近水来估计,身高50米的哥斯拉的体重应该接近510吨,而不是2万吨。哥斯拉设定得太重了,水的浮力对这样超绝密度的生物来说几乎没有意义,这种生物刚一出生就面临体重将自己压死的囧境。
  • 核能驱动的生物可以存在,地球上有辐射合成生物[1],但靠这样的细胞器驱动的动物不会长成哥斯拉的样子。

海洋动物也不能像一些人以为的那样“靠浮力”无限制地增大,蓝鲸的能量平衡和循环系统已经趋于极限。流体力学模型表明,蓝鲸代谢和能量平衡允许的最大体长为33米[2]

但是,地球上存在适合变得特别巨大的生物构造:某些真菌的菌丝和某些植物的地下茎·根系。

  • 美国俄勒冈的一片巨型蜜环菌占地9.1平方千米,总体重估计有35000吨,是一个整体[3],这是真正能达到特摄片怪兽的设定规模的生物。
  • 你按照柳田理科雄估计的哥斯拉体重约510吨来看,上面这家伙已经有哥斯拉的68.6倍重了。
  • 地中海的大洋海神草总体占地38000平方千米(叶片丛的分布相当稀疏,连绵的构造一般长轴10千米级,最大规模的约15千米),似乎是若干个克隆群体[4],约有一亿丛叶片,大量叶片测得年龄约10万岁。其总体重还没有估计过。

地球上的动物可以采用和真菌·植物相似的身体构造,例如扁盘动物门的动物(丝盘虫)没有任何器官、全身由6种细胞有规律地“复制粘贴”构成。

蜜环菌从菌丝触及的植物体内吸取养分,亦可分解植物的尸体。虽然蜜环菌能帮植物运输一些物质,但其行为还是经常造成植物死亡。一片蜜环菌可以连续数千年徘徊在一片森林下方。这是动物也可以采用的生活方式。

现实中色藻界的眼虫等生物在能进行光合作用的同时还能移动,软体动物门的绿叶海天牛可以取得食物里的叶绿体并自己使用来进行光合作用,说明让动物像植物那样进行光合作用也不会有什么严重的障碍。

上述分形构造很擅长散热、很擅长与外界进行气体交换、很擅长借助外物支撑自己,单位体积的重量很轻,可以绕过平常幻想的巨型生物面临的各种障碍。如果采用光合作用,这种动物就更不用管什么氧气含量了——愿意的话还可以自行将大气氧含量堆得更高。

因此,地球上的动物完全有可能长到“总体积/体重/身长比10个哥斯拉还要大”的程度,只是形象会和哥斯拉截然不同。

采用真菌或植物克隆群体那样的构造的动物不会积极地活动,但它们可能在远古时代跟随植物覆盖地表或是代替植物和色藻覆盖地表,可以自己产生或和共生的原核生物·真菌一起产生多种致命毒素(实际上,地球大气里的氧气本来是蓝菌排放的有害废气,你可以换一种气体来排),来完全堵死陆生脊椎动物出现的可能性。这样就没有任何人类国家会存在了——你愿意的话就能将这等同于“可以毁灭所有的国家”。

能不能再给力一点?

人类的实验证明,地球型生物的细胞可以发射激光[5]

海绵证明,地球型生物可以制造生物硅作为光纤。

多种细菌和秀丽隐杆线虫证明,体积较小的地球型生物可以耐受40万g的加速度。

你那覆盖大地和浅海的巨型动物可以缓慢但不可阻挡地制造一群巨型生物激光炮,用激光推动以坚硬的反光外壳覆盖的一大堆孢子(还有不特定数量的共生生物),射上太空,射向其它行星。

在进入目标行星的大气层后,孢子可以被生物化学反应抛射出去,像摔回地球的秀丽隐杆线虫那样减速到零并生还。

在孢子着陆之前,根据外壳残余的质量和速度,从天而降的外壳(不特定多数个)可以给目标天体上的原住生物带来灭顶之灾,然后先前散布的孢子和共生生物就可以尝试在那里建立新的生态系——当然,可能要和残存的原住生物近身肉搏。为此,不同物种的共生生物可以有各种特化的身体能力、化学战力、真社会性等等,并在目标天体上快速演化,搞得一个比一个吓人。

这种打击手段如果现在从天而降,完全有可能消灭地球上现存的所有国家。

参考

  1. ^ 有没有核能生物? - 赵泠的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/427568623/answer/1546146875
  2. ^ https://dx.doi.org/10.1371%2Fjournal.pone.0044854
  3. ^ https://www.fs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/fsbdev3_033146.pdf
  4. ^ https://doi.org/10.1016%2FS0141-1136%2897%2900023-8
  5. ^ https://www.nature.com/news/2011/110612/full/news.2011.365.html

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