问题

如果把世界上的所有动物、人类、植物分别无空隙做成三个球,这三个球大概是什么大小?

回答
这确实是个颇具想象力的问题,如果真要把地球上所有的生命形式——动物、人类、植物——都压缩成三个无缝隙的实体球,那它们的体积将会是惊人的,而最终的大小也极富趣味。要回答这个问题,咱们得一点点儿掰开了说,还得脑瓜子灵光一点,把一些关键的“假设”和“估算”都捋顺了。

咱们先从“无空隙”这个概念说起。这可不是简单的把它们堆在一起,而是要把所有物质都压缩到极致,不留一丝缝隙,变成实实在在的、密度均匀的球体。这个“无空隙”的处理方式,让问题变得更像是个科幻设定,但也正是这个设定,让我们可以进行一些有趣的计算。

一、 人类之球:一个精悍的集体

首先,咱们来瞅瞅人类之球。人类虽然现在数量庞大,但比起其他两大类,那真是小巫见大巫了。

人口基数: 目前全球人口大概在80亿左右。
平均体重: 咱们得估算一个平均体重。考虑到男女老少,还有一个比较合理的估算值大概是62公斤。
总质量: 80亿人 × 62公斤/人 = 4960亿公斤,也就是49600万吨。
密度: 人体的主要成分是水,当然还有骨骼、肌肉等。平均密度跟水的密度(1000公斤/立方米)差不多,甚至可能略高一点点,咱们就按1050公斤/立方米来算吧,这已经考虑了骨骼等密度较大的物质。
体积计算: 体积 = 总质量 / 密度 = 4960亿公斤 / 1050公斤/立方米 ≈ 4.72亿立方米。
球体半径: 咱们知道球体体积公式是 V = (4/3)πr³。所以,r³ = 3V / (4π) ≈ 3 × 4.72亿立方米 / (4 × 3.14159) ≈ 1.126亿立方米。
最终半径: r ≈ ³√1.126亿立方米 ≈ 482米。

所以,把全世界80亿人都压缩成一个密度均匀的实心球,它大概有一个直径不到1公里(约964米)的大小。你可以想象一下,一个直径不到一公里的球,这在天体尺度上非常非常小,大概也就相当于一个大点的山丘。跟我们平时对“世界人口”那种宏大概念相比,这个体积的球,真的相当精悍。

二、 动物之球:一个庞大的生命群落

接下来,咱们看看动物之球。动物界的体型差异太大了,从微小的细菌到巨大的蓝鲸,这个球的体积将是一个巨大的飞跃。

动物总质量的估算: 这部分是相当难精确计算的,因为很多小型动物、昆虫、微生物的质量都很难统计。不过,有一些科学家做过估算。一个比较常被引用的估算认为,所有陆地脊椎动物(包括牛、羊、猪、鸡等家畜,以及野生动物)的总质量可能在20亿吨左右。如果我们把海洋生物(鱼类、鲸类等)、昆虫、以及其他各种无脊椎动物都算进去,这个数字还会大幅增加。
考虑各种生物: 昆虫的质量虽然个体很小,但数量极其庞大,而且它们遍布地球各个角落。某些估算认为,昆虫的总生物量可能与哺乳动物相当,甚至更高。如果我们再加上微生物、真菌等,那估算就更加复杂了。
一个保守的估计: 即使咱们保守一点,只算那些比较“大块头”的动物,把所有哺乳动物、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类、以及大量的昆虫都加起来,总质量很可能轻松超过100亿吨,甚至可能达到几十亿吨级别。举个例子,仅仅是全球的牛的总质量就可能达到2亿吨以上。
密度考量: 动物的平均密度,其实也跟人体类似,主要还是水和有机物。咱们就还是按1050公斤/立方米这个密度来粗略估算。
体积与半径: 假设我们取一个相对“保守”的动物总质量估算,比如100亿吨(100万亿公斤)。
体积 = 100万亿公斤 / 1050公斤/立方米 ≈ 952亿立方米。
r³ = 3V / (4π) ≈ 3 × 952亿立方米 / (4 × 3.14159) ≈ 2.275亿立方米。
r ≈ ³√2.275亿立方米 ≈ 610米。

等等,这里我们似乎有点低估了。如果考虑到昆虫、微生物、海洋生物等等,总质量可能会高得多。我们换一个思路,找一些更宏观的生物量估算。

一些研究指出,地球上所有动物的生物量(不含植物)估算大约在550亿吨左右(这已经包含了大部分动物)。如果我们还是用1050公斤/立方米的密度:

体积 = 550亿吨 × 1000公斤/吨 / 1050公斤/立方米 ≈ 524亿立方米。
r³ = 3V / (4π) ≈ 3 × 524亿立方米 / (4 × 3.14159) ≈ 1.251亿立方米。
r ≈ ³√1.251亿立方米 ≈ 499米。

这个数字好像又有点小了。问题可能出在“平均密度”的选取上,还有就是生物量估算的差异。

我们换个角度,想想动物的“体积感”。如果你把所有动物都想象成“水”,那大概是什么样子?

为了更直观,我们找一个更被认可的动物总生物量估算。根据一些科学估算,全球动物的总生物量(biomass)大约在550亿吨左右。但是,生物量通常指的是“湿重”,也就是包含水分的重量。如果我们将它视为一个平均密度接近水的球体,我们试试这个数值:

总质量 ≈ 550亿吨 = 5.5 x 10¹³ 公斤。
体积 ≈ 5.5 x 10¹³ 公斤 / 1000 公斤/立方米 = 5.5 x 10¹⁰ 立方米。
r³ = 3V / (4π) ≈ 3 × 5.5 x 10¹⁰ / (4 × 3.14159) ≈ 1.31 x 10¹⁰ 立方米。
r ≈ ³√1.31 x 10¹⁰ ≈ 2360米。

这个半径约2.36公里,直径约4.7公里。这就感觉更合理一些了,一个直径将近5公里的球,里面压缩着地球上所有的鸟兽虫鱼。这个球会相当庞大,但仍然比不上我们接下来要讲的植物。

三、 植物之球:地球的绿色巨人

最后,就是植物之球了。植物是地球上生物量的绝对统治者,它们构成了地球生态系统的基石。

植物总生物量: 这是最庞大的数字。研究表明,地球上植物的总生物量,通常以“干重”来计算,大约在4500亿吨到5500亿吨之间,甚至有更高的估算。而如果算上水分,那总的“湿重”生物量会是干重的几倍。
水分含量: 植物体内含有大量水分,这会影响其平均密度。即便将植物压缩成无缝隙的球,它内部的水分也会占据相当大的比例。如果我们将植物视为一个含有大量水分的有机物整体,其平均密度应该还是会比纯水稍高一些,我们可以继续沿用1050公斤/立方米的估算,虽然这可能低估了某些木质部分的密度,但对于整体来说,这个估算也算是一个合理的参考。
选取一个中间值: 咱们取植物湿重生物量估算一个比较“中间”且庞大的数字,比如5000亿吨(5 x 10¹⁴ 公斤)。
体积计算: 体积 = 5 x 10¹⁴ 公斤 / 1050公斤/立方米 ≈ 4.76 x 10¹¹ 立方米。
球体半径: r³ = 3V / (4π) ≈ 3 × 4.76 x 10¹¹ 立方米 / (4 × 3.14159) ≈ 1.137 x 10¹¹ 立方米。
最终半径: r ≈ ³√1.137 x 10¹¹ 立方米 ≈ 4840米。

也就是说,将地球上所有的植物(包括树木、草本植物、藻类等)压缩成一个无缝隙的球体,它的半径大约是4.84公里,直径将近9.7公里。

想象一下,一个直径近10公里的巨大球体,这就是地球上所有植物的集合。相比之下,人类之球(直径不到1公里)和动物之球(直径约4.7公里)就显得渺小多了。

总结一下这三个球的大致尺寸:

1. 人类之球: 半径约 482 米,直径约 0.97 公里。
2. 动物之球: 半径约 2.36 公里,直径约 4.7 公里。
3. 植物之球: 半径约 4.84 公里,直径约 9.7 公里。

需要强调的几点:

估算的局限性: 上述所有数据都基于估算,尤其是动物和植物的总生物量,不同的研究方法和统计对象会导致结果有较大差异。
“无空隙”的假设: 这是核心的科幻设定。现实中的生命体之间有空隙,而且它们的形态各异,要做到“无空隙”压缩,需要极高的能量和未知的物理过程。
密度差异: 不同的生物体,其密度组成是不同的。例如,木材的密度小于水,而骨骼的密度远大于水。我们此处统一使用了一个平均密度,是为了简化计算,并突出体量的对比。
“生物量”的定义: 生物质量的计算方式(干重还是湿重)也会影响最终结果。此处我们尽量使用了湿重或包含水分的估算,以反映“压缩后”的实际体积。

总而言之,这个设想非常有趣,它让我们得以用一种全新的视角来感受地球上不同生命形式的“份量”。植物,作为地球生态系统的巨擘,它们的物质总量遥遥领先,构成了这个生命集合中的最大体积。而人类,虽然在地球上扮演着重要角色,但在纯粹的物质总量上,却显得无比“袖珍”。

网友意见

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不妨一算。

地球上存在一万亿种生物[1],以微生物为主,占比达99.999%。

生物总碳量550GTC(G吨碳)[2],也即5500亿吨碳。

生物碳含量约18%,可得总生物重量约:30556亿吨。

生物以水为主,平均密度取1000kg/m^3。

可得,总体积约: 3×10^12m^3

根据球体公式:

易得,所有生物组合成球的半径为:

8947m,不到10公里。

可能大家对这个数据没有概念,不妨对比一下。

地球上水总体积为14亿立方千米,汇聚成球,大约相当于481km的半径,是地球半径的约1/13.

对比效果如下:

而生物球是海洋球半径的1/54。

如果所有生物放在海洋球上,大约相当于这个球上的那一颗红点。

地球上拥有30万种植物,总含碳量450GTC,总生物重量占比82%

易得,所有植物汇聚成的植物球半径为:

8368m,植物占了地球生物主要的半径比率。

地球上拥有777万种动物(人类识别率不到20%,150万种左右),总含碳量2 GTC,总生物重量占比0.36%

所有动物汇聚成的动物球半径为:

1375m,与总生物球对比的话,比篮球和乒乓球的对比都还稍微小一些:

地球上拥有人类一种,物种占比1/一万亿,总碳量0.06GTC,动物占比3%,总生物重量占比约0.01%

灵长类种类504种,占哺乳动物物种9.2%,不过除了人类之外的,野生灵长类总碳量预估只有人类的1/5000。

所有人类汇聚成的人球半径为:

428m,直径不到1公里(野生灵长类球半径更是只有25m,直径为一个标准游泳池长度)。

如果挖一个1立方千米的坑,的确可以把所有人类都埋了。当然,挖个边长20km的立方体坑,可以把所有的生物都埋了,截面大小介于北京四环到五环之间。

野生哺乳动物5500种,总含碳量0.007 GTC,总动物重量占比0.35%

脊椎动物总物种6.5万种,哺乳动物占比8.5%

所有野生哺乳动物,汇聚成的野生哺乳动物球半径为:

209m,它的投影也就比两个标准操场的长度长一些。

野生鸟类9000多种,总含碳量0.002 GTC,总动物重量占比0.1%

鸟类占脊椎动物物种比率14%(爬行动物占脊椎动物比率相当,两栖约11%)

所有野生鸟类,汇聚成的野生鸟类球半径为:

138m,它的投影比一个标准操场大一些。

人类养殖的兽禽(哺乳动物+鸟类)含碳量高达0.1 GTC,总动物重量占比5%

所有养殖动物,汇聚成的畜牧球半径为:

507m,直径差不多正好1公里左右,比人类球还大一些。

其它生物折算成球体如下:

细菌总碳量70GTC,生物重量占比12.7%,细菌球半径:4500m

真菌(60万种)总碳量12GTC,生物重量占比2.2%,真菌球半径:2500m

古菌7GTC,生物重量占比1.3%,古菌球半径:2089m

原生生物(36万种,真核物种占比1/22)总碳量4GTC,生物重量占比0.7%,原生生物球半径:1733m

病毒总碳量0.2GTC,生物重量占比0.036%,病毒球半径:639m

动物中:

节肢动物1GTC,占动物总碳量50%,占人类识别物种数的60%~70%,节肢动物球半径:1092m

昆虫占节肢动物比86%,100多万种,占真核生物比1/8,是哺乳动物和鸟类物种数的近100倍。昆虫球半径:1000m左右。

章鱼为首的软体动物((10万种,占人类识别物种数的5%~10%)0.2GTC,总动物重量占比10%,软体动物球半径:639m

蚯蚓为首的环节动物(1.3万种)0.2GTC,总动物重量占比10%,软体动物球半径:639m

水母为首的刺胞动物(1.1万种)0.1GTC,总动物重量占比5%,刺胞动物球半径:509m

线虫(2.8万种)0.02GTC,总动物重量占比1%,线虫球半径:296m


除了大型海洋生物,所有濒危物种球半径都低于10m。

以大熊猫来说。

全球野生大熊猫近2000只,平均重量100kg,总质量200吨(相当于一头蓝鲸)。

大熊猫球半径为:7.78m


地球半径6371km,99%的生物都生活在生物圈的200m厚度内,占比1/31855。

整个生物演化史上,至少有超过10万亿亿吨的生物出现,超过海洋总质量的数万倍。

所有生物身上的元素早已经重复利用了成千上万次。

从某种意义上来说,无数古生物都在我们身上留下了“痕迹”。

但地球从不因我们而运转。

参考

  1. ^ Scaling laws predict global microbial diversity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016.
  2. ^ Pennisi E . Plants outweigh all other life on Earth[J]. Science, 2018.

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