Насколько крупная биоинженерная мобильная форма жизни может существовать на Земле?

Все определяется гравитацией.

В настоящее время я пишу статью на аналогичную тему, наблюдая, как гравитация влияет на эволюцию внеземной жизни (размер и внутреннее строение). Поэтому я могу предложить вам несколько намеков на то, как ограничено подвижное животное на Земле, но я боюсь, что этот вопрос достаточно сложен, чтобы не вводить проблему того, какой урон существо может выдержать или как его следует спроектировать.

Прежде всего, Хокканен оценил максимальную массу организма, состоящего из тех же мышц и костей, что и остальные представители животного мира .$10^5$-$10^6$кг. Если бы вы довели природу до таких пределов, энергия, необходимая только для поддержания этого организма, была бы огромна: по закону Клейбера метаболическая энергия масштабируется как масса до степени$3/4$.

Скажем, мы пренебрегаем огромной энергией, необходимой для поддержания жизни этого существа в данный момент, и хотим найти энергию, необходимую для передвижения . Каждое живое существо на Земле ходит, используя походку перевернутого маятника . Используя естественный период ноги и расширив работу гиперссылки, после некоторых основных вычислений мы обнаружили, что работа (энергия), необходимая для одного шага, составляет

$W = mgL \left( 1-\sqrt{1-\frac{\pi^2}{6}F} \right)$,

где m — масса ноги, L — ее длина, F — число Фруда , характеризующее походку животного и равное$v^2/gL$. Нога составляет 18% массы человека, скажем, 30% массы вашего животного ($10^5$кг), чтобы выдержать его вес. Для кайдзю ростом 180 метров мы можем назвать 40% длины ног. Если вы хотите, чтобы он шел со скоростью 10 км/ч, это составляет почти 20 000 Дж на шаг. (Для сравнения, человеку требуется 150 Дж на шаг.) Если вы хотите, чтобы он бежал короткими рывками, необходимая энергия как минимум удвоится, поскольку энергия бега человека примерно удваивается по сравнению с ходьбой.

Если вы хотите, чтобы он шел в течение 48 часов, это около 150 000 шагов с такой скоростью, что дает нам в общей сложности$3 \times 10^9 J$. Когда вы превращаете это в пищевые калории , вы получаете «в 71 раз больше калорий, потребляемых Майклом Фелпсом в день во время подготовки к Олимпийским играм», или «в 310 раз больше рекомендуемой пищевой энергии в день для среднего человека».

Таким образом, наш монстр будет расходовать, по закону Кляйбера, примерно в 180 раз больше, чем у человека, чтобы остаться в живых, а с затратами на ходьбу это составляет$5 \times 10^9 J$. Оказывается, в человеческом трупе содержится около 81 500 калорий энергии, поэтому, питаясь исключительно людьми, чудовищу пришлось бы потреблять более пятнадцати тысяч человек в день , чтобы выжить.

Я полагаю, это объясняет неистовый голод Годзиллы.

Очевидно, я физик, а не биолог, поэтому мое слишком конкретное решение применимо только к сферическим коровам в вакууме . Мы могли бы сколько угодно рассуждать о других факторах, анализе измерений, аллометрии, научной фантастике, которые ослабили бы или наложили дополнительные ограничения на нашего монстра, но, рассматривая только его движение в гравитационном поле, мы можем получить эту интересную игру с числами.

РЕДАКТИРОВАТЬ : Если мы хотим обсудить полностью искусственные конструкции, то наиболее эффективным средством передвижения, безусловно, будет перекатывание . Это не потребует «раскачивания» центра масс, как это происходит при ходьбе, и, таким образом, полностью ослабит гравитационный предел размера. Однако существо, которое имеет полностью сферическую форму, передвигается на гусеницах или ползает, как змея, будет сильно ограничено в плане доступных конечностей, так что это не слишком эффективно для (интеллектуального) оружия разрушения. Любое другое передвижение с помощью конечностей выполняется с помощью модели перевернутого маятника, и применяется приведенный выше расчет.

Кроме того, если бы существо могло работать на ядерной энергии, оно могло бы сделать это с относительно небольшим реактором — электростанция в США вырабатывает в 10 000 раз больше энергии в день, чем требовалось бы нашему монстру. Энергия, которая требуется для основных функций, на самом деле не так уж велика, она сводится примерно к годовому расходу сушилки для белья, если не считать дня. Так что единственное, что нужно учитывать, это очень быстрый и эффективный источник энергии — потребление пищи, очевидно, одно, хотя и в больших количествах, но ядерный реактор тоже справился бы с задачей.

Дело не столько в гравитации, сколько в высоте . Самые большие естественные существа, вероятно, настолько же велики, насколько могут быть естественные существа с традиционным строением тела, но ограничения, наложенные на искусственный кайдзю, чрезвычайно ослаблены.

Титанозавр всегда должен быть мобильным и конкурентоспособным с другими организмами, но кайдзю можно выращивать с произвольным количеством строительных лесов и т. д. Ограничение в 25 лет — это достаточно, учитывая, что биомасса растет экспоненциально. «Кайдзю», состоящий только из бактерий, которых кормят столько пищи, сколько они хотят, в нужных количествах в течение 25 лет, имеет чрезвычайно большую массу. ( Время удвоения E. coli на минимальной среде составляет около одного часа, а за 25 лет 219 000 часов. Это означает, что через 25 лет будет около 4 * 10 ^ 65 000 бактерий, каждая из которых весит около пикограмма. высшие оценки массы наблюдаемой Вселенной составляют 4 * 10 ^ 70 пикограммов. 25 лет для периода созревания — это достаточно .)

Рассмотрим экзотические «кайдзю», которые представляют собой всего 500 тонн муравьев, собранных вместе с маленькими живыми усами в гигантский жуткий ковер. Ясно, что этот сверхорганизм может стать почти произвольно большим. Посмотрите на Пандо , который тяжелее Годзиллы (намного тяжелее), но ниже ростом и растянут. Снабжение кислородом не является проблемой, если вы позволяете себе иметь несколько пар легких или пассивную конвективную вентиляцию, как небоскреб (или вы дерево).

Вес не имеет значения, если вы позволяете себе растянуться горизонтально. Дыхание не беспокоит, если вы позволяете себе быть пористым. Материалы с самой высокой прочностью (по весу) - это кевлар, дайнема или что-то еще. По общему признанию, это прочность на растяжение, а не на сжатие, но если у вас есть трубка, полная воды и около 50% воды по весу, вы можете преобразовать одну в другую, используя гидростатическое сжатие с 50% -ным штрафом прочности (бла-бла, закон Лапласа, бла-бла, оптимальный радиус). мля. Мы исключительные инженеры, разберемся). Тем не мение. Бетон является одним из самых слабых строительных материалов по удельной прочности и под собственным весом не может подняться на высоту более 400 метров. Бетонный столб высотой 500 метров рухнет, даже если ему не дать сломаться или прогнуться.. Даже если мы будем придерживаться традиционных органических материалов (паучьего шелка), мы можем построить столб высотой 100 км, если он не сломается и не деформируется. Существа, построенные из бетона, действительно никогда не могут быть выше 400 метров, если только вы не строите пирамиды.

Итак, мы хотим построить гигантское существо, которое может ломать вещи. Это означает, что нам нужны руки или ноги или что-то в этом роде, поэтому мы должны оставаться значительно ниже своего максимального роста, чтобы у нас было свободное пространство для мозга, легких и глаз. Кроме того, большая клюшка может испытывать гораздо большую нагрузку при раскачивании, чем клюшка под действием силы тяжести. Мы можем оценить максимально допустимую высоту для реальных нагрузок при ходьбе с использованием титанозавров. Титанозавры были около 50 метров в высоту и использовали кости и плоть. Самоподдерживающаяся длина кости составляет около 20 км плюс минус, поэтому ходьба и жизнь настоящего существа означает, что скелет должен выдерживать примерно в 400 раз больше гравитационных нагрузок. Dyneema может поддерживать себя до почти 400 км, поэтому, используя эту чрезвычайно грязную эвристику, скелетоподобное существо Dyneema может быть почти 1 км в высоту и все еще стоять и теоретически ходить.

Строительство гигантской морской звезды высотой около 30 этажей в форме морской звезды определенно сможет разрушить здания, но я не уверен в требованиях к скорости. Тем не мение. Организм такого масштаба невосприимчив к обычному стрелковому оружию, по сути, тривиально, так как вы можете просто списать внешний метр плоти как расходный материал, и тогда у вас будет 100 см абляционной брони. Технически многие виды автоматического оружия могут действовать как пескоструйный аппарат (в конце концов), но я не знаю, у кого есть такое время/боеприпасы. Противотанковые снаряды на самом деле легче победить, чем обычное оружие, потому что они специально предназначены для толстых слоев металла. Оченьтолстые слои плоти (с точки зрения объекта размером с танк) рассеивают энергию задолго до того, как она достигает чего-либо важного, а обычные бризантные взрывчатые вещества могут медленно рассеиваться композитной керамикой/кевларом (или оболочкой/хрящом, в зависимости от того, насколько вы посмотрите на это) слой.

tl;dr Быть высоким тяжело, быть большим легче, чем быть высоким, самое сложное в этом — двигаться быстро, будучи большим или высоким.

Сделайте кайдзю эусоциальной клональной колонией.

Как уже упоминалось во многих ответах, законы масштабирования делают вес и затраты энергии крупных животных непомерно высокими. Тем не менее, мы можем использовать другие виды животных, чтобы достичь больших окончательных размеров кайдзю .

Насекомые удивительно быстры, даже без учета размеров их тела. В этой статье BBC цитируется статья , в которой измеряются жуки, движущиеся со скоростью 9 км/ч.

Точно так же американские тараканы замеряли скорость 5,5 км/ч во время ходьбы. Они также очень способны летать, и рой летающих суб-кайдзю может легко достичь необходимой максимальной скорости.

С дополнительными аугментациями эти индивидуализированные организмы могут легко двигаться с максимальной скоростью ходьбы человека в течение длительных периодов времени.

Когда они не атакуют активно город, суб-кайдзю сохраняют колониальную структуру, подобную структуре слизевиков Dictyostelium , поддерживая контакт как рой, но не связываясь активно друг с другом. В этой форме они также могут добывать пищу и действовать как стаи саранчи, уничтожая посевы, а также местную экономику.

Однако, когда им нужно атаковать город, они могут объединиться в более крупную структуру (во многом похожую на плодовые тела диктиостелиума ), которая способна наносить физический урон зданиям. Комбинированные колониальные кайдзю должны выполнять задачи, аналогичные микроботам в фильме «Большой герой 6».

Этот режим позволяет им легко пополнять свои энергетические уровни и размножаться (живя как наземные тараканы). Они могут распространяться стаями и совершать набеги на обезлюдевшие города, превращая любые разрушенные суб-кайдзю, убитых людей/животных и продукты из заброшенных супермаркетов в дополнительную биомассу.

Кроме того, их колониальная структура делает их очень устойчивыми к обычным атакам. Просто отделяя небольшие фрагменты самих себя, они могут эффективно противостоять любому физическому оружию, такому как пушки, бомбы и артиллерия. На самом деле чрезвычайная выносливость насекомых (о чем свидетельствует устойчивость тараканов к ядерным бомбам ) означает, что объединенные колониальные кайдзю могут просто разъединиться, чтобы пережить даже ядерные взрывы.

Короткий ответ: нет .

Длинный ответ заключается в том, что то, как развивалась биология, не позволяет существам стать намного больше, чем они уже есть.

Кости могут быть настолько крепкими, чтобы выдерживать такой-то вес. Сердце не может перекачать столько крови, а ткани могут быть настолько "устойчивыми" к повреждениям - и ни одно живое существо не смогло бы развернуть бронебойный танк и остаться в живых - просто нет ткани, которая могла бы выдержать такое.

Современные животные

Синие киты, самые крупные животные на Земле, с возрастом страдают от травм спины просто из-за своего большого размера (и это несмотря на то, что их тела всю жизнь находятся в воде).

Динозавры

Динозавры существовали на протяжении очень большого периода времени. Однако чем ближе мы подходили к сегодняшнему дню, тем меньше они становились. По мере своего развития природа обнаружила, что меньшие конструкции более эффективны.

Самые большие из когда-либо существовавших (так называемые титанозавры) были 20 метров в высоту и 40 метров в длину. Они были травоядными, двигались очень медленно и, как полагают, имели несколько сердец, чтобы перекачивать кровь от одного конца тела к другому.

Хотя это впечатляет, пожалуйста, помните, что они не выдержали испытания временем, а также что они самые большие из всех когда-либо существовавших на Земле. Никакого существа, похожего на Годзиллу, не могло бы существовать - оно бы лопнуло под собственной тяжестью.

В научной фантастике

Если вы посмотрите такие фильмы, как «Аватар», они объясняют биологию существ Пандоры (огромные летающие существа типа динозавров и невероятно высокие гуманоиды) как побочный продукт их низкой гравитации и природных углеродных нанотрубок в их костях, которые делают их «очень тяжело убить".

Однако даже углеродные нанотрубки не смогли бы помочь Годзилле.