问题

世界上有能够放电的生物,比如电鳗,为什么没有会喷火的动物?

回答
这是一个非常有趣且引人入胜的问题,它触及了生物进化、生理学和物理学的交叉领域。为什么自然界有能放电的生物,却似乎没有能喷火的动物呢?要详细解答这个问题,我们需要从多个角度来分析。

一、放电的生物:科学原理与进化优势

首先,让我们看看为什么某些生物能够产生和控制电流。

生物电的产生机制: 许多生物体内的神经和肌肉细胞都利用离子(如钠离子、钾离子)跨越细胞膜的流动来产生微弱的电信号,这是神经传导和肌肉收缩的基础。
电鳗的特化机制: 以电鳗为例,它们拥有高度特化的器官——电盘(electric organs)。这些电盘由数千个被称为电细胞(electrocytes)的改变过的肌肉细胞组成。这些电细胞排列成串,当它们同时放电时,产生的电流可以叠加起来,形成强大的电击。
离子泵与电势差: 每个电细胞就像一个微小的电池。它们的细胞膜上存在着离子泵,能够主动地将离子泵出或泵入细胞,从而在细胞膜两侧产生一个电势差(就像电池的正负极)。
同步放电: 神经系统能够同时激活大量的电细胞,让它们在极短的时间内释放储存的电能。这种同步性是产生强大电流的关键。
放电的进化优势:
捕食: 强大的电击可以瞬间麻痹或杀死猎物,使其更容易被捕获。
防御: 电击可以有效地吓退捕食者或将其击晕,保护自身。
导航和感知: 一些鱼类(如象鼻鱼)产生较弱的电场,用于在浑浊的水中感知周围环境、寻找食物和交流。

二、为什么没有会喷火的动物?

现在,让我们转向为什么自然界没有出现能够喷射火焰的动物。原因主要集中在以下几个方面:

1. 化学物质的获取与储存的挑战:
可燃物和助燃物的存储: 要产生火焰,你需要同时拥有可燃物(燃料)和助燃物(通常是氧气)。
燃料: 动物体内的主要燃料是糖类(如葡萄糖)和脂肪。这些物质是生命活动必需的,但它们并不能直接燃烧产生火焰,而是通过细胞呼吸氧化。要从中提取出易燃的物质,并能以受控的方式释放出来,是一项巨大的生理挑战。
助燃物: 氧气是我们呼吸的空气中的主要成分。但要将氧气高压储存起来并与燃料混合,并且不会在储存过程中发生危险的化学反应,这是非常困难的。想象一下,生物体内需要携带一个高压氧气罐,这显然是不切实际的。
极端化学物质的毒性与不稳定性: 要产生火焰,可能需要一些非常活跃、易燃的化学物质。许多这类物质(如某些有机溶剂、易燃气体)对生物体本身来说是高度有毒的,或者非常不稳定,难以在生物体内存放而不会自我反应或分解。

2. 点燃机制的挑战:
高温火源: 火焰的产生需要达到一定的燃点温度。生物体内部是如何产生足以点燃这些假设的可燃物质的火源呢?
摩擦生火? 动物的内部结构不太可能产生足够高强度、局部化的摩擦来点燃物质。
生物化学反应产生的高温? 某些生物化学反应可以释放能量,但要达到燃点温度并集中在一个点上用于喷射,目前没有已知的生物机制能够做到这一点。即使是闪电这种自然界的强大能量来源,生物也无法控制和储存。
控制喷射: 即使能产生易燃物质并点燃,如何精确地控制它们的混合、喷射方向和喷射速度,以形成定向的火焰束,这又是一个复杂的工程学问题。

3. 生理和进化上的障碍:
对自身伤害的风险: 喷火的动物将面临巨大的自我伤害风险。口腔、食道、消化道甚至皮肤都可能被高温火焰灼伤。进化上,如果一个突变能让动物喷火,但同时也让它更容易烧伤自己而死亡,那么这个突变就很难被自然选择保留下来。
能量消耗: 产生和储存易燃物质,以及产生点燃火源,很可能需要巨大的能量消耗。这种能量投入是否能带来足够显著的生存或繁殖优势,以抵消其成本,是一个关键问题。
生存环境的限制: 火焰在某些环境中是非常危险的,比如干燥的森林。具有喷火能力的动物在这些环境中反而更容易暴露自己或引火烧身。

4. 是否存在“类火焰”的防御机制?
善纳甲虫(Bombardier Beetle): 这是一个重要的例子,它能喷射高温的化学物质,但并非火焰。善纳甲虫的腹部有两个腺体,分别储存氢醌和过氧化氢。当受到威胁时,它会混合这两种物质,并在一个特殊的隔室中加入催化剂(如过氧化氢酶)。这个反应会迅速释放大量的热能,并将两种物质转化为一种高温(约100°C)、腐蚀性的、有刺激性气味的液体,从腹部末端的喷嘴喷出。
这不是火焰: 尽管温度很高,但这个反应并不产生可见的火焰,因为它没有涉及气体燃烧的化学过程。它是一种快速的氧化还原反应,其能量以热能和化学能的形式释放。
进化上的妥协: 善纳甲虫的机制是一种非常有效的防御手段,它避免了携带和使用真正火焰的巨大风险和复杂性。它利用了生物体内可以稳定储存的化学物质,并通过化学反应产生高能输出。

三、与生物电的对比

生物电和生物喷火在生物进化上的差异在于:

基本原理: 生物电利用的是生物体内普遍存在的离子和细胞膜电位差,只是电鳗将其特化、放大和同步化。这相对容易通过微小的结构和功能调整来实现。
所需物质: 生物电不需要储存特别难获取或不稳定的外部化学物质。
能量释放: 生物电的能量释放(电流)对生物体自身的损害相对可控,不像高温火焰那样具有破坏性。
进化路径: 从微弱的生物电信号到强力放电,存在着一条相对平滑的进化路径。而从普通的生物化学反应到产生可控火焰,则需要跨越巨大的生理和化学鸿沟。

总结

总而言之,世界上没有会喷火的动物,主要是因为要实现这一功能,在化学物质的获取与储存、点燃机制的实现、对自身伤害的避免以及能量效率等方面,都存在着巨大的生理学和进化上的障碍。自然选择更倾向于那些能够以更低的风险和更高的效率实现生存和繁殖目标的性状。善纳甲虫喷射高温化学物质的机制,便是生物在无法实现真正喷火的情况下,发展出的一种高效且相对安全的防御策略的体现。生物电的产生,则是在生物体内已有的基本生理机制上,通过精巧的特化和协同,实现了一种强大的功能。

网友意见

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最根本的原因是,进化出喷火的难度远远高于放电。

当我们不妨想象一下,如果真的存在喷火生物,会是一个什么样的进化过程。


无论是草履虫这样的原生生物,还是任何的动物、植物、真菌的基本生理活动,都依赖于电位的变化。甚至刺胞动物门之后的生命,其神经系统本身就是一种电信号的传导系统。

而电鳗在进化过程中,所做的工作仅仅只是把神经电路稍微改造了一下,便有了对外放电的能力。

电鳗身体内,神经元串联起来的发电器由肌肉细胞特化而来,具有和神经元一模一样的钠钾离子通道。

这些发电器紧密排列,然后用脂肪绝缘,相当于一个个的小型电池。

这样的小型电池,电鳗的身体各侧大约有几千上万个。

通常来说,电鳗的身体越长,发电能力越强。

发电能力最强的一些淡水电鳗,发电可高达800V。

甚至可以电死鳄鱼:

从神经系统到电鳗这样“生物电池”的改造,原理并不复杂。

能够放电的鱼类其实还不少,除了电鳗外还有电鳐、电鲇、电鲶等等,比鱼更高等还有亚马逊电蛇了。

不过,这些生物的用电环境,全部都是水环境。

也就是说,水环境中的一些生物,具有恰好的生存压力,才有可能演化出放电能力。

而主要活动在陆地上的生物,用电优势会被大大削弱,不用说不会进化出放电能力,甚至哪怕原来拥有放电能力的,也可能在长久的演化中,逐渐“退化”掉。

生物的演化,并不是什么“技能”最强,就“进化”出什么,而是生物演化出适合生存的“技能”,它才不会被淘汰,才能继续繁衍生息。

例如,生活在溶洞中的各类盲鱼盲虾,由于用不上的眼睛反而是耗能的累赘,所以在长期的演化过程中,竟然逐渐退化了。

对于放电来说同样如此,如果陆生生物的放电带来的收益,远远低于放电成本,那么这个放电“技能”根本不可能“进化”得出来。

接下来我们再来探讨,如果动物真的会喷火,会是一个什么样的进化过程。

首先水生动物不具备真正喷火的条件,这里就不多说了。

似乎能喷火的暗色天竺鲷,喷出的仅仅只是发光介形虫。

所以,有那么一点点可能进化出喷火的动物,基本上只能是陆生动物。

根据所有陆生动物的生理特征来看,也就节肢动物和脊椎动物最有可能。

燃烧的材料可以分成气体、液体,以及固体。

火焰燃烧时,要对身体的伤害降到最低,甚至不会造成伤害,那么燃烧就必须喷射出去。

固体通常需要粉末状才适合喷射,对于生物体来说,生产成本会比气体和液体高出很多,所以首先pass掉。

  • 我们先来看看喷射液体的情况。

不少昆虫都能放屁,但其实那些屁并非气体,而主要是液体。

我们以射炮步甲举例:

它们的喷射装置,主要有三个结构:

分别用来储藏、燃烧,以及喷射液体。

当射炮步甲受到威胁的时候,会混合身体内储存的过氧化氢和对苯二酚,并通过催化剂生成高达100℃的苯醌溶液,同时喷射出去。

通过苯醌的高温以及高腐蚀性,射炮步甲在自己的生境种取得了生存优势。

那么,在另外一个位面,是否存在一个类似射炮步甲的生物,进化出来的却是喷火能力呢?

从原理上来说,这是是可行的。

苯醌的燃点是560℃,闪点更是低至38~93℃,是典型的易燃易爆物质。

只要需要让这个位面的射炮步甲,再进化出点火装置,就可以实现喷火技能了。

而通过短时间的放电,可以产生很高的温度。

所以,只需要同时再进化出一个放电器,就可以进行点火了。

扥级按照射炮步甲那种喷射姿态,如果真的会喷火了,很容易玩火自焚。而且如果喷射的苯醌浓度在1.7~13.5%的区间内,还会发生爆炸。

所以,射炮步甲的喷射姿势还需要调整。

但相比起同时需要进化出点火装置、优化了喷射装置的射炮步甲来说,姿势的调整反而是小case了。

总的来说,另外一个位面的喷火射炮步甲是有可能进化出来的,但前提是那个位面的射炮步甲繁殖得特别成功,内部的竞争压力空前升高,进入地狱级难度,必须从喷射上进行升级才能生存时,才有那么一丢丢的可能性进化出喷火的形态。

总的来说,进化出真正喷火的昆虫,有一定的可能性,但概率极低。

接下来我们来看看脊椎动物。

脊椎动物用毒,基本上都是蛋白质成分,所以喷出液体易燃物几乎没有什么可能。

能依赖的主要就是气体了。

例如,屁。

屁中含有大约30%的可燃气体,氢气为主,其它的主要是甲烷。

接下来我们直接假设在另外一个位面,存在一个脊椎动物,正在进化成喷火兽。

由于这种喷火兽过于龙傲天,我们不妨命名为傲天兽

傲天兽生活在水边,有着在水里捕鱼的习性,身体具有类似于电鳗那样特化的放电肌肉。

后来因为气候变得干旱,沼泽变成了草原,一部分傲天兽进化成了食草动物。

为了消化植物,它们的肠道内住进了大量的共生菌,这些共生菌每天都会产生大量的屁。

由于求偶的放电习性,虽然傲天兽身体内其它肌肉的放电能力都退化了,但却依旧保留了嘴部的放电器,甚至因为雄性竞争而得到了强化。

因为偶然的一个变异,某一个个体的屁可以从嘴部溢出,并在求偶表演的时候,偶然喷出了火焰。虽然一开始它会烧到自己,但经过长期的训练,它最终熟练掌握火焰求偶的技巧。

由于它前所未有的求偶表演,令它成了最受此雌性欢迎的雄性,它得以繁衍出更多的后代。

N代之后,傲天兽种群中的喷火兽比例越来越高。

傲天兽越来越成功,发展得越来越繁荣。

某一天,气候又发生了变化,一部分傲天兽被迫从植食变成了杂食。

一开始它们通过火焰捕食一些昆虫之类的小型动物,凭借微弱的优势,它们生存了下来。

经过长期的演化,它们的喷火能力逐渐得到强化,开始捕猎鼠类等一些更大型的动物。

经过了上千万年的演化,它们的喷火系统也逐渐得到了优化,甚至一部分肠道专门用来制造可燃气体,在喉部进化出了专门的囊,用来压缩和储存可燃气体,大大提高了喷火效率以及火焰的能量。

就这样,傲天兽成为了这个位面最为成功的物种,站在了食物链的最顶端。

总之,单纯从演化的逻辑来说,会喷火的脊椎动物是有可能“进化”出来的。

只不过概率极低,需要各种苛刻的限定条件。

但就像生命的诞生本身就是一个极低的概率一样,并不能保证宇宙中真的没有喷火生物的存在。


但无论怎么样,对于地球生物来说,放电总是比喷火容易得太多了。

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首先直接回答问题

之前在另一个回答里提到了,绝大多数问为什么没有XX的动物,或者为什么动物没有进化出XX,这类问题统一都可以回答

不为什么,就是没有

生物不同于机械,机械的改进是有目的性的,希望有什么功能,针对性的增加相应的结构。

而生物的演化本身依靠的是随机的突变,突变结果不妨碍生物生存,或者对生存更有利,再加上一些运气才可以保留下来。

所以为什么没有会喷火的动物?不为什么,就是没有演化出来,也有可能曾经演化出来了,但是没有繁衍留存下来。



好,下面来谈一下动物有没有演化出喷火技能的可能

我个人认为理论上应该是有这种可能的,但是实际上恐怕很难繁衍保留下来

动物体内产生易燃物质并不难,不论是气态的还是液态的,最常见的屁浓度提升一下就是一种易燃气体。

如果一个动物可以喷射易燃物质,并且在喷射口演化出一个放电或者高频振动摩擦的点火结构,这就是一个最简单的喷火组织。

复杂一点的可以像射炮步甲那样通过喷射混合两种物质制造闪点很低的混合物达到爆燃效果。

对读者而言原理不重要,只要知道虽然演化难度很大,但是理论上生物喷火确实完全可以实现的



但是实际上会出现一个很严重的问题,这种动物可以生活在哪里?

首先水栖肯定排除,森林?草原?恐怕都不行,因为虽然理论上动物可以喷火没问题,但是目前来看应该不存在自身不怕火的动物。

而喷火和放电有一个很大的差别,就是副作用太大了。电放完就放完了,而火放完可是会继续烧的。在森林、草原这些地方时不时的喷个火后果太严重了,即使进化出了这种动物恐怕也繁衍不下来,不仅自己繁衍不下来,连带着周围的动植物群落也一同遭殃。

所以能想到的合适场地恐怕也就只有沙漠了…沙漠里的动物要进化出这种结构,就存在两个问题:

1,沙漠里不论是物种多样性还是种群数量都非常少,生物的演化是建立在随机偶然突变的基础上,数量少自然概率就低。这种高度特化的结构本身就非常难演化出来,再降低概率基本上就趋近于不可能。

2,沙漠里食物匮乏,所以能量是很宝贵的。相比于物理武器,喷火无疑是一种大消耗的技能。这就促使该动物对食物的需求量进一步增加,而沙漠里的动物都在比谁消耗更低吃的更少,并不适合这种大消耗的演化方向。

所以,理论上虽然确实可能出现会喷火的动物,但是结合环境来看,这种动物不仅诞生难度很高,而且生存空间很小,并且生存繁衍下来的难度同样很高,因此我认为出现的概率几近于无。


PS:著名AI泠姐在最高赞回答里说的那种放屁虫,学名射炮布甲,是一种小型的鞘翅目昆虫,长这样

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主要是“历史上没有偶然产生喷火的性状”。

常见的解释方式之一是“因为喷火需要相应的器官、含有大量化学能的燃料和防止烧伤自己的组织性状,这需要付出一部分体重和消耗能量维持,那么喷火这项生理功能对该生物的生活要有用,无论是捕食、自卫还是求偶”。这其实是浅显的、不准确的,地球生物的生理功能可以是冗余的。

  • 捕食的话,是什么食物烧了也能吃而且补充你为了燃烧而损耗的能量?用这些能量去驱动爪牙、投石、毒液之类都可以期待捕食效果,不产生点燃草木或自己皮毛的风险,而且非要用火的话人类祖先没有演化出手提打火机就可以使用火了。
  • 自卫的话,它的天敌是什么以至于需要喷出迅速消散的火焰,而不是使用能长时间附着或侵入目标内部的毒剂、刺激性化学物质?如果是用来威吓其他生物,为什么不用颜色、声音之类,而是消耗大量的燃料?
  • 求偶的话,为什么要用这种让大量化学物质快速消耗而有效范围在视线之内的奇怪方式,而不是在空气中扩散外激素?

人类之中有一些魔术师、杂耍艺人等会用可燃物表演喷火(使口中喷出的燃料雾经过明火而产生羽流或火焰),那不是生理功能的一部分。除人类外没有喷射肉眼可见的真正等离子焰的现存物种。化石记录里也没有找到疑似具有这样的功能的物种。

在人类之外,与喷火沾边的地球生物有:

  • 用过氧化氢和对苯二酚喷出 100 摄氏度有毒液体的放屁虫[1]
  • 在水下打出高温空泡的鼓虾,
  • 吐出介形虫的荧光素与荧光素酶混合产生的冷光的暗色天竺鲷。


点燃草和干木头需要约 200~300 摄氏度,在 100 摄氏度的液体已经可以自卫的情况下,生物缺乏演化出那么高温度的可能点燃周围物体进而损伤自己的喷射物的可能性——重要的是“产生的温度更高的个体并没有因此产生更多的可育后代”,更高温度对应的基因不易在种群中积累并不断提升温度。

  • 但是,如果有偶然放射出 200 摄氏度火焰的个体且其没有因此产生更少的可育后代,这相关的基因是有概率在种群中长期存在乃至普及的。

鼓虾制造的高温局限于水下的极小体积内,打中常规的可燃物也不会点燃。它这样就足够捕食了,缺乏演化出手提式火焰喷射器的可能性。

尼德兰屯特大学研究人员利用每秒可连续拍摄 40000 次的高速照相机观察鼓虾 Alpheus heterochaelis 的活动。研究人员发现鼓虾闭合巨螯会产生一道高速的喷射水流,形成空穴现象造出低压气泡,气泡崩裂时可产生高达 200 分贝的音量,足以震碎玻璃及杀死附近的小鱼。这气泡在崩裂的时候会产生声致发光(即气泡在水中发生内向爆炸,产生光及高温),他们将这种鼓虾的声致发光命名为“虾光现象”(shrimpoluminescence)[2]
鼓虾产生的气泡被迅速压缩,热力无处消散,使气泡内的温度激增至 4700 摄氏度,产生持续数纳秒的亮光。这光用肉眼无法看到,只是冲击波的副产品,但这是首次发现动物利用这方式发光。

暗色天竺鲷喷出的发光物并不发出多少热量,也不是它自己的生理功能,与人类的喷火表演有相似之处,不过这不是表演而是介形虫的防御机制,小鱼为避免食物在体内发光引来更大的捕食者而将其吐出。

使用生物发光来求偶的生物,靠光的亮度、颜色、形态、明暗变化等就足够了,没有演化出火焰的。放射化学物质来求偶的生物更没有必要把这些化学物质点燃。

生物可以有不必要的过度杀伤性状。你可以设想一个用类似电鳗的发电器去点燃干草·树脂·自己收集的皮屑之类来喷出火焰、引燃植物以便烧杀猎物的动物,那没有什么不可理喻的奇特之处。

澳大利亚土著人传说一些猛禽是“火鹰”,用火捕猎并教给人类祖先使用火的方法。这是神话传说,但黑鸢、啸栗鸢、褐隼在澳大利亚北部稀树草原上用爪子或喙拾取着火的树枝甚至合作搬运着火的较大树枝、反复投掷到可以点燃的植被上、吃被火惊吓的动物和烧死的动物尸体的行为已被观察到。

鸟类学家从 2011 年到 2017 年在澳大利亚进行实地考察,亲眼目睹了澳大利亚猛禽“纵火”的行为,记录了 20 多件猛禽“纵火”目击报告,可以参照文献:

Mark Bonta, Robert Gosford, Dick Eussen, Nathan Ferguson, Erana Loveless, Maxwell Witwer "Intentional Fire-Spreading by “Firehawk” Raptors in Northern Australia," Journal of Ethnobiology, 37(4), 700-718, (1 December 2017)

这比喷火容易很多。

参考

  1. ^ 这两种物质可在含有过氧化氢酶和辣根过氧化物酶的空腔中混合。过氧化氢在酶的催化作用下放出氧气,氧化对苯二酚成为对苯醌。反应剧烈放热,使混合物沸腾气化,加上氧气的助推作用,将混合物喷出。
  2. ^ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11586346?dopt=Abstract

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