第110夜 体型与生存(第3/5页)
数学和物理学以确定海洋动物的最大尺寸,这比确定陆生动物的最大尺寸更具挑战性,而且到现在为止还没有可靠的预测。
然而,我现在要展示的是,除了生态生物力学以外,还存在其他限制体形的最大尺寸的条件,即确保所有细胞都会得到足够的氧气供应。这涉及网络供应系统的几何和动力学特性。
让我为你描述一个简化版的论证,来解释如何估算体形的最大尺寸。网络理论的一个更神秘的结果是,毛细血管等终端单位之间的平均距离与身体重量之间呈幂指数缩放,其指数为1/12(等于0.0833……)。这是一个异常小的指数,代表着一种身体尺寸非常缓慢的变化。
它预测网络将变得越来越张开,也越来越稀少。比如,较大树木的树冠通常比小树更大,而且随着树木尺寸非常缓慢地增大,树叶间的平均距离也在缓慢增大。
同样,虽然的体重是鼩鼱的1亿倍,但其毛细血管的平均距离仅为鼩鼱的4.6倍。
毛细血管为细胞服务,所以网络的张开意味着随着尺寸增加,相邻毛细血管之间有更多的组织需要被服务。因此,平均来说,每个毛细血管必须系统地服务更多的细胞,这反映了前面讨论过的规模经济效应。
然而,这种增长不可能是无限制的。作为不变单元的每个毛细血管能向组织供应的氧气是固定的。所以如果需要由单个毛细血管供氧的细胞组变得太大,其中一些细胞将不可避免地被剥夺氧气,技术上称之为缺氧。
在没有足够的氧气以维持距离太远的细胞之前,氧气的扩散距离是有限的。
这个距离被称为最大克罗半径,它是围绕毛细血管长度的假想圆柱体的半径,就像一个护套,包含了所有能够维持的细胞集合(提醒你,毛细血管的长度约为半毫米,是其直径的5倍左右)。
由此,人们可以计算出一个动物最大可以有多大,因为其毛细血管之间的距离如果变得过大会导致缺氧。
由此,我们可以大致推算出动物的体重最多也就100多吨,这大致相当于最大的的重量,这意味着它们是哺乳动物家族链的体形顶端。
在探讨毛细血管和细胞之间接触面的细微之处的关键含义,包括它们如何影响人们的成长、衰老和随后的死亡等问题之前,我想先简单地回顾一下哥斯拉的问题。
从之前的讨论中,我们可以清楚地看到,如果哥斯拉与生物圈中的其他生物一样,它将会是一个神话。即使它没有被自己的体重压垮(根据伽利略的观点),它也无法为大部分细胞供氧,所以是不可能存在的。
当然,像超人一样,它可以由不同的材料制成,可以承受支撑其体重和移动性的巨大压力,而且具有允许其内部网络为其假定的细胞提供足够营养的属性,所以它能像科幻电影中描绘的一样存在。
原则上,我们可以根据所讨论的观点得出其身体材料各种属性的预测值,使其能够像人类一样存在。
比如,人们可以估算能够使其身体正常运行的四肢压缩强度、“血液”黏度和组织弹性等的数值应该是多少。
我不是很确定这样的估算是否有意义,因为作为一个复杂适应系统,任何干扰参数和设计的潜在可能都会导致巨大的意想不到的后果,因此这没有什么意义。
在相信这样的怪兽可
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