В основе этой и многих подобных проблем с размерами вещей лежит следующий факт: не все физические величины масштабируются с одинаковой степенью линейного размера.

Некоторые величины, такие как масса, идут как куб вашего масштабирования — удвойте каждое измерение животного, и оно будет весить в восемь раз больше. Другие величины идут только как квадрат масштабирования. Примеры этой последней категории включают

• Мышечная сила (более длинная мышца может оказывать не большее усилие, чем более короткая мышца с такой же площадью поперечного сечения),
• Насосная способность сердца (сердце не сплошное, а скорее полое, поэтому количество мышц, приводящих его в действие, соответствует площади поверхности),
• Сжатие/растяжение, которое может безопасно передаваться костью (прочность материала является внутренней и не зависит от размера, поэтому давление, которое может быть выдержано, является постоянным, поэтому сила — площадь поперечного сечения, умноженная на давление — которая может поддерживаться, равна квадрату размера) и
• Способность обмениваться веществом и нагревать окружающую среду (одиночные клетки, например, с трудом увеличиваются в размерах, потому что их метаболизм пропорционален размеру в кубе, но их способность транспортировать питательные вещества через внешние мембраны увеличивается только в зависимости от площади этих мембран). ),

по крайней мере в первом приближении. Вы также можете придумать другие количества, которые по-разному масштабируются в зависимости от размера.

В результате простое увеличение размера организма нарушит баланс, достигнутый для этого конкретного размера. Его мышцы, вероятно, будут слишком слабыми, его кости, вероятно, сломаются, и он будет генерировать так много внутреннего тепла (если он теплокровный), что единственное достижимое равновесие, учитывая его сравнительно небольшую площадь поверхности, будет при достаточно высокой температуре, чтобы денатурировать многих. белки.

В качестве совершенно небиологического примера рассмотрим тот факт, что самолеты нельзя сделать произвольно большими, и на самом деле самолеты разных размеров имеют очень разные формы и технические требования. Площадь поверхности крыльев не зависит от общей массы, а напряжения и давления, которые должен выдерживать материал, не будут оставаться постоянными по мере увеличения самолета.

Вы можете вырасти сколь угодно большим, пока вы по существу плоская. Например, один гриб покрывает несколько тысяч акров ; есть роща клоновых осин, которые могут иметь большую массу.

Однако масштабирование в трех измерениях намного сложнее. Давление на дно пропорционально высоте — в конечном итоге это давление слишком велико, чтобы ткани могли его выдержать. (Так же и со многими другими соображениями).

Таким образом, у вас могут быть сколь угодно большие по существу одномерные или двумерные животные (если бы у них были рты, равномерно распределенные по всему телу). Но, видимо, это не очень конкурентоспособно с 3D-формами (например, очень трудно спрятаться от хищников, когда ты гигантский лист), так что длиннее нескольких десятков метров не бывает. ( Например, есть червь длиной более 50 метров . Однако у него только один рот.)

Основной ответ заключается в том, что масса пропорциональна кубу линейного измерения, а сила таких вещей, как ноги, пропорциональна квадрату линейного измерения. Обратите внимание, что у крупных животных поэтому развились сравнительно более толстые ноги, чем у мелких. Линейно увеличьте собаку до размера слона, и ее ноги лопнут. Еще более экстремально, подумайте о масштабировании муравья до размера слона.

Все это означает, что максимальный практический размер движущегося животного определяется прочностью поддерживающего материала (в нашем случае кости) по отношению к силе тяжести в окружающей среде (в нашем случае 1 г). Если бы животные эволюционировали с подобным структурным материалом на планете с более высокой гравитацией, то мы ожидали бы, что самые большие из них будут меньше, чем здесь, на Земле.

Проблема может быть частично решена, когда животное плавает в воде. Не случайно самое крупное животное с подвижным телом — водное. В конце концов, другие параметры, которые не масштабируются одинаково с линейным размером, мешают, даже если они поддерживаются водой.

Прямой ответ физики на этот вопрос, а именно: «Не все физические величины масштабируются с одинаковой степенью линейного размера». - прекрасно выразился Крис Уайт. По сути, это отвечает на ваш вопрос о гигантских роботах — жестких ограничений нет, но проблемы масштабируемой мощности просто означают, что становится все труднее и труднее строить все больше и больше. Современная инженерия показывает, насколько отличается этот вопрос применительно к животным. Ограничения дают о себе знать, но совершенно по-разному для машин, в отличие от животных. Взгляните на эту угледобывающую машину Krupp, которая использовалась для добычи бурого (то есть очень влажного) угля в земле Северный Рейн-Вестфалия (самая западная часть Германии на карте).

Машина имеет высоту 95 метров и длину 215 метров, весит сорок шесть тысяч тонн и ежедневно «съедает» семьдесят шесть тысяч кубометров угля, камня и земли.

Хорошо, строительные материалы машин и животных очень разные, но у животных есть кости , соотношение прочности и веса которых мы достигли совсем недавно с помощью высокотехнологичных композитных материалов. Поэтому я думаю, что можно с уверенностью сказать, что живые животные , в отличие от машин, даже не приближаются к «физическим» ограничениям, о которых говорится в ответе Криса, как это было бы применимо, если бы у живых животных было больше ресурсов.

Какие другие ограничения применяются в отношении животных? По сути, они биологические, поэтому этот вопрос действительно необходимо опубликовать на бирже биологического стека. Но их стоит привести здесь в качестве примера некоторых интересных феноменов динамической системы и теории игр - они представляют собой абстрактную форму ответа Йоханнеса - а именно ловкость , как физическую, так и генетическую. Хорошим примером здесь является Amphicoelias Fragillimus и, например, гигантские динозавры-зауроподы, возможно, самые большие существа на суше или в море, когда-либо ходившие по Земле:

1. Если вы станете очень большим, никакой хищник не будет угрожать вам напрямую. Но это только половина эволюционной сказки: вам также нужно оградить и защитить своих детенышей . Для этого вам нужна либо ловкость, либо какое-то другое поведение или уловка, чтобы встать на ее место, и именно здесь возникают основные ограничения в статье Ауфкага «Бернесс , Даймонд и Фланнери, «Динозавры, драконы и карлики: эволюция максимального размера тела». на передний план;

2. Если вы станете очень большим, ваша эволюция замедлится. На взросление и размножение уходит много времени. Период генерации становится продолжительным. Если вы думаете об эволюционной адаптации как о поиске в конфигурационном пространстве способов адаптации к изменениям вокруг вас, то скорость этого поиска определяется периодом генерации.

«Проектирование» большой машины для животных: Amphicoelias Fragilmus

На моем рисунке ниже показаны сравнительные размеры некоторых динозавров-зауроподов, человека и одной из игрушек человека, аэробуса A380. Последний (в основном из-за того, что он наполнен воздухом) лишь немного крупнее Amphicoelias Fragilimus (большое красно-коричневое существо длиной 60 м на заднем плане), но их вес вполне сопоставим (по крайней мере, когда аэробус не загружен). О том, как Амфицелия справляется с проблемой рассеивания тепла, говорится в ответе Рекса Керра, ибо она по сути плоский зверь, очень узкий, если смотреть на него с головы. Может быть, ее конкретное имя fragilimus относится к этому, если мы понимаем значение незначительного — я на самом деле не знаю, откуда взялось это имя. Помимо этого, в таком колоссальном существе, конечно, нет ничего «хрупкого».

Теперь давайте посмотрим, для чего эволюционировали амфицелии. Ее пищей были твердые игольчатые листья и древесина хвойных лесов ее времени — ее эпоха была до покрытосеменных растений: до фруктов, цветов и трав. Так что она должна была быть, по сути, гигантским ферментативным переваривающим целлюлозу растением на ногах. Скромному современному инженеру-химику не составило бы труда спроектировать и построить завод такого скромного размера из довольно приземленных (не передовых композитных) строительных материалов; тридцать или около того тонн целлюлозы в пасти амфицелии за один раз были бы меньшей цифрой для переработки в сегодняшнем мире, одержимом экономией на масштабе. Механическая конструкция и технология, необходимые для того, чтобы сделать такой завод мобильным, создают проблемы, которые наша технология легко преодолевает. Короче говоря,

Защита и защита молодняка, стадное поведение и нехватка ресурсов

Ни один хищник ее времени, ни до, ни после, не представлял никакой угрозы для колоссальных амфицелий (по крайней мере, когда они были здоровы): это одно из явных эволюционных преимуществ больших размеров, хотя у зауроподов потребность в экономии за счет масштаба при обработке низкокачественный источник пищи, такой как хвоя сосны и саговника, вероятно, был основным фактором, побудившим их к огромным размерам.

Но защита ее детенышей была совсем другим делом. У усатых китов и слонов сегодня та же проблема: хотя они сами достаточно велики, чтобы легко бороться с любым хищником (касатка и лев соответственно), их медлительность не идет ни в какое сравнение с ловкостью более мелкого хищника, и поэтому их детеныши уязвимы. Тридцатиметровый синий кит весом в сто пятьдесят тонн не имеет никакой надежды защитить своего детеныша от стаи пятитонных косаток, которые проворно врываются, ловко уклоняясь от любой угрозы, которую мать может представлять своим хвостом, и беспрепятственно запугивают несчастных детенышей до смерти. . Их улов может быть сделан за то время, которое требуется матери, чтобы просто повернуться. Киты должны преодолевать эту проблему, главным образом, за счет своей редкости - за счет того, что становятся редкими и избегают мест обитания косаток, когда они вынашивают и воспитывают детенышей. То же самое и со слонами: их огромный мозг (в три-четыре раза больше нашего) помогает здесь понять, где львы находятся и вряд ли прячутся.

Для Amphicoelias проблема была еще хуже. Детеныш кита рождается с весом в несколько тонн и, таким образом, может в некоторой степени защищать себя, но динозавры вылупились из яиц, размер которых по причинам, изложенным здесь, был ограничен примерно таким же размером, как у современного страуса. Таким образом, амфицелии и зауроподы развили две стратегии, чтобы компенсировать свою медлительность: блеф с оружием и стадное поведение .

Судя по мускулистости, плотности и форме хвоста зауропода, кажется довольно очевидным, что хвост использовался как устрашающее оружие; его мускулатура и жесткая кожа показывают, что им можно махать, как кнутом, достигая почти звуковой скорости на его кончике. Такая зловещая штука, несущаяся по воздуху со скоростью, близкой к звуковой, и с линейной плотностью в десятки или даже сотни килограммов на метр, несомненно, была бы совершенно и разрушительно смертельной для любого живого существа, против которого она была бы направлена, и ее можно было бы быстро развернуть в любом месте в любой точке мира. полукруглая область радиусом в десятки метров вблизи задней части туловища животного. Так что оружие частично компенсировало медлительность зауропода.

Но, как и большинство оружия, его ценность заключалась в основном в блефе. Совершенно бессмысленно использовать такое оружие, если на ваших собственных детенышей нападают, а зауроподам не хватало остроты зрения, необходимой для использования хлыста с точностью, необходимой для того, чтобы не поразить своих детенышей. Так что оружие для одиночки совершенно бесполезно — отсюда и следующая уловка: стадное поведение .

Как и современные слоны, зауроподы жили большими стадами. Их детеныши могли безопасно пастись в окружении своих хлыстоносных родителей. Но стадное поведение и безопасность в численности означают огромную утечку ресурсов, особенно по мере того, как особи становятся больше. Одной амфицелии нужно было срезать по одному дереву каждый день, чтобы выжить, так что вот предел их размера: зауроподы стали настолько большими, насколько могли, и у них все еще есть достаточно, чтобы жить. Статья Бернесса, Даймонда и Фланнери «Динозавры, драконы и карлики: эволюция максимального размера тела» , на которую ссылается Ауфкаг, показывает следующее: самые большие существа живут на самых плодородных землях.

Генетическая ловкость

В случае динозавра-зауропода продолжительность жизни оценивалась примерно в 200 лет, и для таких крупных животных было не так много места и пищи, поэтому, хотя эти существа могли откладывать яйца и быстро производить потомство, выживали лишь немногие, а период генерации был вероятно, похоже на всю жизнь, скажем$10^2$годы. Итак, мы возвращаемся к идее эволюционной адаптации как нахождения способов адаптироваться к экологическим изменениям вокруг вас путем поиска в пространстве генетической конфигурации генотипов, лучше приспособленных к изменившимся условиям . И если вы воспроизводите медленно, вы не ищете быстро. Следовательно, чем крупнее становится животное, чем медленнее его жизненный цикл, тем больше вероятность того, что его превзойдут его экологические сверстники, которые более проворно исследуют пространство генетической конфигурации, особенно когда оно живет стадами и, таким образом, ненадежно зависит от постоянного снабжения пищей.

Если вы изображаете два вида в одной и той же экологической нише, то они должны искать пространство генетической конфигурации примерно с одинаковой скоростью, иначе один вытеснит другого. Есть некоторые доказательства этой идеи в относительной комбинаторике генов по сравнению с количеством особей в случае прокариот-продуцентов и эукариот. Прокариоты эволюционируют путем обмена «плазмидами» — отдельными генами, свернутыми в кольцо, которые плавают в цитоплазме клетки, чтобы позже, возможно, встроиться в основную последовательность ДНК — по одному, в то время как эукариоты могут размножаться половым путем, производя оптовую генетическую смесь при каждом сцеплении. . Таким образом, эукариоты-продуценты могут тестировать гораздо больший диапазон генотипов в каждом поколении и, таким образом, не «отстают» от гораздо более многочисленных прокариот-продуцентов:

[A] отчет, опубликованный в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences , показывает, что размер суши ограничивает максимальный размер тела ее высшего животного.

^{Научный американец}

Это отчет, на который ссылаются: «Динозавры, драконы и карлики: эволюция максимального размера тела» . (Вы можете щелкнуть «Полный текст (PDF)» справа от связанной страницы, чтобы просмотреть полный документ.)

Я читаю отличные ответы здесь. Однако одному аспекту не уделялось внимания: выживание за счет ловкости . Мыши подвижны, слоны менее. Здесь определенно играет роль размер.

Рассмотрение животных, использующих передвижение ногами в среде с гравитационным ускорением.$g$. Высота ноги$h$в сочетании с гравитационным ускорением определяет «шкалу времени маневренности»:

Эта «шкала времени маневренности» характеризует время, необходимое для разворота или изменения курса. Для человека (высота ноги$h \approx 1~\text{m}$) на земле ($g \approx 10~\text{m/s}^2$),$t_\text{agile} \approx 0.3~\text{s}$. Это действительно характерное время для нас, чтобы развернуться.

Вероятно, не случайно эволюция привела к тому, что леопарды охотятся на добычу своего размера или даже крупнее. Несмотря на силу, которая приходит с ним, размер может быть помехой. Слишком крупный хищник, несмотря на свою потенциально высокую скорость, не смог бы поймать более мелкую и подвижную добычу. И, что еще хуже, он стал бы жертвой групп более мелких и проворных хищников.

Человеческое сердце может биться только так быстро. На определенной высоте размер сердца будет непропорционален размеру, необходимому для перекачивания крови по всему телу. Если предположить, что сердце не проблема, плотность костей и мышечная структура есть. Вы также можете подумать обо всех проблемах со здоровьем, связанных с ожирением, и применить их к общему размеру. Поскольку гигантский робот не может двигаться, это будет просто проблема крутящего момента, поскольку он связан с размером ног робота, который должен быть для обеспечения его баланса. Если бы можно было создавать сверхлегких роботов, то это не было бы проблемой. Однако у людей хрящи в суставах все равно изнашиваются, независимо от того, сколько их там. У очень крупного человека были бы ужасные проблемы с суставами, и он разрушил бы большинство своих суставов в самом начале своей жизни.

Как уже говорили @ChrisWhite , @Olin и т. д., основная проблема заключается в том, что масса тела и прочность костей (и т. д.) имеют различное поведение масштабирования по отношению к линейному размеру животного. Масса, связанная с объемом, растет быстрее (при условии, что существо имеет «нормальную форму»), и, следовательно, в какой-то момент конечности не могут поддерживать животное ... особенно если ожидается, что оно будет динамичным.

Есть также проблемы с давлением при масштабировании моллюсков, но пока они остаются под водой, они не важны: классический пример того, как это нарушается физикой кино, был в «Это пришло из-под моря», где гигантский кальмар Рэя Харрихаузена разрушает мост Золотые Ворота. На http://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/ есть прекрасное описание физики (и биологии) этого существа, в котором делается вывод, что после того, как существо поднимает свои щупальца высоко из воды:

Доказательства ясно указывают на то, что у бедного головоногого моллюска внезапное и массивное кровоизлияние в мозг из-за этого избыточного давления, когда он разрывает мост Золотые Ворота.

Классическая работа, указывающая на эти аргументы масштабирования, — это книга Дж. Б. С. Холдейна «О правильном размере» ( http://irl.cs.ucla.edu/papers/right-size.html ), самая запоминающаяся строка которой:

Вы можете бросить мышь в шахту длиной в тысячу ярдов; и, достигнув дна, он получает легкий толчок и уходит, при условии, что земля достаточно мягкая. Крыса убита, человек разбит, лошадь забрызгана.

Наконец, занимательный вывод абсолютной шкалы (а не относительной шкалы размеров тела) см. в статье «Высота жирафа» ( http://arxiv.org/abs/0708.0573 ), резюмированной в аннотации как :

Небольшая модификация аргументов Пресса и Лайтмана приводит к оценке высоты самого высокого бегущего, дышащего организма на пригодной для жизни планете как боровский радиус, умноженный на три десятых степени отношения электрических сил к гравитационным между двумя протоны.