Максимальный размер экзоскелетного существа

Ответ: примерно от 2 до 3 метров на древней Земле, когда климат Земли был более жарким и было намного больше кислорода.

Я не могу найти ссылку, но, насколько я помню, ограничения экзоскелетных существ, как показано в других ответах, не коррелировали с силой, необходимой для удержания веса. Реальность такова, что это связано с тем, что сердечно-сосудистые системы экзоскелетных существ довольно слабы и допускают более крупные структуры только тогда, когда они живут в среде, богатой кислородом. Что-то связанное с площадью поверхности и эффективностью дыхания.

Основы того, что я могу сказать и собрать воедино, это то, что экзоскелетные животные развивались в океанах и начали выходить на сушу. Примерно в то же время растения развивались на суше и очищали атмосферу, обогащая ее кислородом, что позволило экзоскелетным животным вырасти до относительно массивных размеров по сравнению с тем, что они есть сегодня. Затем, поскольку растения доминировали в ландшафте, ограничивали свой источник топлива и загрязняли свой мир, они достигли точки, когда начали отмирать. Существа с экзоскелетом не производили достаточно CO2, и начали появляться животные, которые были намного более эффективными. Это привело к тому, что экзоскелетные существа и растения вымерли до тех пор, пока стабильность с новыми животными, производящими CO2, не стабилизировала систему, которая оказалась намного ниже, чем то, что было необходимо для 2-3-метровых тел экзоскелетных существ.

Насколько я знаю, нет никаких причин, по которым существо с экзоскелетом не могло бы развить более эффективную дыхательную систему, которая позволила бы им продолжать развиваться и доминировать в своем мире в больших размерах.

Как только вы это поймете, в игру вступят ограничения веса экзоскелета...

Интересная идея заключается в том, что гипотетически эти существа могут быть массивными и продолжать расти на протяжении всей своей жизни, останавливаясь только тогда, когда они становятся слишком большими, чтобы линять и отращивать новый экзоскелет. Это означает, что их мозг также может стать массивнее нашего, потому что они не ограничены проблемой родовых путей.

Есть несколько ограничений на размер членистоногих, частично связанных с законом квадрата-куба и частично связанных с механикой. У всех этих ограничений есть решения, но результат может не квалифицироваться как настоящие членистоногие. Общий обзор можно прочитать в этой статье .

Известные рекорды

Согласно этой статье (цитата по википедии):

Известно, что самым крупным из известных членистоногих является эвриптерид (морской скорпион) Jaekelopterus, длина тела которого достигает 2,5 м (8,2 фута), за ним следует родственник многоножки Arthropleura длиной около 2,1 м (6,9 фута).

Проблема: Кровеносная система

Согласно этой статье :

У членистоногих открытая система кровообращения: вместо артерий и вен, направляющих кровь, членистоногие имеют открытый синус, через который кровь непосредственно омывает органы. Каким образом это означает ограничение для гигантского насекомого? Хотя нет активного механизма, который перекачивал бы кровь по всему телу, гигантскому насекомому было бы очень трудно насыщать кислородом и питать все свои клетки из-за эффекта гравитации.

С другой стороны, большинство насекомых пассивно дышат через свои дыхальца, которые соединяются с внутренней системой разветвленных проводников, называемых «трахеями». Таким образом, они не развивают никакой активной системы, чтобы заставить воздух проникать внутрь их тел, но он пассивно входит через эти «трахеи» и достигает внутренней части тела членистоногого, чтобы насытить кислородом все клетки.

Диффузия газов эффективна на малых расстояниях, но не на больших. Таким образом, гигантские насекомые столкнутся с серьезными проблемами с насыщением тканей кислородом, если достигнут больших размеров. Кроме того, текущей концентрации кислорода в атмосфере (21%) будет недостаточно, чтобы насытить кислородом такой большой организм с таким простым механизмом дыхания.

Надо сказать, что все эти ограничения ослабляются в водных экосистемах, где вес кутикулы и диффузия кислорода не создавали проблем для роста. Это объясняет, почему самые большие в мире членистоногие (и другие беспозвоночные) обитают в основном в водных экосистемах.

Решение: Трахеальная кровеносная система

Согласно этой статье :

Может быть, у животного книжные легкие, как у паука, а может быть, дыхальца насекомого разветвились внутрь, превратившись в наполненную воздухом трахейную систему, переплетающуюся с наполненной жидкостью сердечно-сосудистой системой крови. Каждая нога имеет свой собственный «сердечно-легочный комплекс», связанный с ней, плюс большой в животе для питания органов.

Вместо того, чтобы вдыхать и выдыхать, эти животные дышат СКВОЗЬ, при этом воздух входит в систему через дыхальца возле головы и выходит возле аи. Воздух перекачивается за счет действия мышечных кровеносных сосудов, обвивающих трубки трахеи, или за счет мышечного сокращения всего живота (подобно надуванию и сдуванию воздушного шара). Бег также создает больший поток.

Проблема: линька

Согласно этой статье :

С точки зрения прочности, хитиновые оболочки вокруг ног (которые уже есть у жуков) отлично работают. Посчитайте, и вы обнаружите, что нога жука, увеличенная до размеров одной из моих ног (100 см в длину и 20 см в диаметре), будет иметь экзоскелет толщиной около 0,6 см, который примерно такой же массы и четверти толщины костей в моей ноге. Это неплохо, особенно если учесть, какое удовольствие вы могли бы получить с воздушными карманами, различными материалами и точной формой рассматриваемой кости. Я уверен, что экзоскелетные ноги сработают, по крайней мере, для животного моего размера.

Настоящая проблема заключается в том, что экзоскелет должен сбрасываться по мере того, как животное внутри него растет. Представьте членистоногого размером со льва, который линяет и превращается из бронированного боевого демона в мягкую розовую шишку. Он может быть не в состоянии выдержать вес собственных органов, не говоря уже о беге и преследовании добычи.

Решения: плавучесть, коконы, рост, весы

Согласно этой статье :

Есть способы решить проблему. Выкопайте яму и спрячьтесь в ней пока мягкая. Погрузитесь в поддерживающую воду. Постройте «мобильный кокон» из старого ненужного экзоскелета и шелка. Или просто пусть скелет растет вместе с вами.

У морских ежей тоже есть экзоскелеты, но они состоят из шестиугольных пластин, которые можно отделить, а промежутки заполнить промежуточным материалом (в данном случае коллагеном), который впоследствии затвердевает до необходимой твердости и жесткости (в данном случае карбоната кальция). Кости нашего черепа (которые в некотором роде являются экзоскелетами) работают точно так же. Разница в том, что у нас также есть специализированные клетки (остеокласты), которые могут разрушать старую кость, а также создавать ее (остеобласты), поэтому даже после того, как пластины встретились, чтобы сформировать череп, все это может продолжать расти, поскольку старая кость вычитается. изнутри и добавлено снаружи.

Не нравится эта идея? Вы можете разбить экзоскелет на чешуйки, которые соединяются от края к краю, как кусочки головоломки, и их можно терять и отращивать по одному, как зубы акулы, не жертвуя структурной целостностью (бонус: босс видеоигры слаб пятна!). Мышцы, которые прикреплены к областям без чешуи панциря, не будут иметь никаких рычагов и будут бесполезны, пока новый панцирь не затвердеет. Животному придется изменить свое поведение, либо получив помощь от своих сородичей, либо соорудив себе временный костыль из найденных материалов (дерево? старая чешуя, скрученная в шелк?). Либо это, либо чешуйки, закрепляющие мышцы, остаются целыми, встроенными в большие мертвые структуры по мере роста животного, подобно треску гремучей змеи.

Проблема: шарнирные соединения

Согласно этой статье :

Принцип работы несущих суставов (например, коленных и тазобедренных) у крупных существ заключается в распределении нагрузки по максимально возможной площади, а также в амортизации и смазке сустава путем его окружения живой тканью.

Очевидно, что существа с экзоскелетом не могут окружить сустав живой тканью, иначе у них не было бы экзоскелета. И без этой подушки и смазки они несколько ограничены в типах суставов, которые они могут иметь. Например, у людей есть шарнирные суставы (локоть), шаровидные суставы (от бедра к тазу), скользящие суставы (запястье) и некоторые другие. Существа с экзоскелетом имеют, прежде всего, шарнирный сустав.

Шарнирный сустав, по существу, имеет пару выступов на одной конечности сустава, совпадающих с парой углублений на другой конечности сустава. Вы легко увидите это в следующий раз, когда будете есть лобстера, если внимательно посмотрите, где «большой палец» клешни соединяется с «кистью» клешни.

Шарнирные суставы представляют собой проблему, поскольку существа увеличиваются в размерах, потому что они распределяют всю силу сустава на относительно небольшой площади. Я хочу, чтобы вы встали прямо сейчас и встали на носки, пятки оторвались от земли. Затем, выпрямив спину, медленно присядьте. Чувствуете давление в коленях? Представьте, что умножить на тридцать, и вы поймете, какое сопротивление должны выдерживать суставы экзоскелета при вашем размере.

Решение: суставы эндоскелета

Согласно этой статье :

любой другой тип сустава (например, шаровидный сустав большого пальца) потребует твердой внутренней поверхности, что является своего рода противоположностью экзоскелета.

Вывод

Гигантские членистоногие не могут существовать без большого количества атмосферного кислорода. Даже тогда их экзоскелеты не могут конкурировать с эндоскелетами. Преодоление этих ограничений потребует эволюции новой клады псевдоартроподов с множеством уникальных стратегий.

Без внутренних костей у них могли бы быть структурные сухожилия, которые работают на растяжение , а не на сжатие. Представьте себе, как вокруг жесткой оболочки натянуты прочные провода, как у теннисной ракетки. Это можно использовать для внутренней поддержки.

Рассмотрите возможность использования мышц для формирования прочных жестких форм. Я забыл, как это называется, но если мышечное переплетение расположено под прямым углом и выровнено с трубкой, оно образует негибкую форму (в отличие от 45-градусной спирали, которая позволяет сгибаться без перекручивания). В специальном выпуске научного канала о возможной будущей жизни описывалось, как головоногие моллюски перемещаются на сушу таким образом.

Некоторые животные имеют внутреннюю оболочку. Так что, если они не могут легко развить кость с нуля, им будет легче вырастить то же самое, что и раньше, но внутри.

Отличное объяснение проблемы масштабирования экзоскелетных существ

В итоге:

Экзоскелеты имеют действительно ужасные варианты суставов, которые плохо выдерживают вес. По сути, вы можете иметь штифтовое соединение (например, клешню краба) или просто немного смягчить свой скелет и надеяться, что он держится вместе. В то время как у беспозвоночных есть много вариантов суставов, многие из которых выдерживают значительную нагрузку (подумайте о коленях и бедрах). Просто невозможно воспроизвести это с экзоскелетом.

Экзоскелеты очень тяжелые. Они составляют большую долю веса тела животного, чем эндоскелеты, и это становится хуже по мере увеличения масштаба (задача квадратного куба; кубирование большего числа). Это также означает, что иметь существо с эндоскелетом и экзоскелетом не получится. Они будут весить так много, что едва смогут двигаться.

Говоря о движении, они не смогут бегать, не сломав экзоскелет ног.

Экзоскелеты дорогие. Большинство крупных существ с экзоскелетами живут в море. Одна из основных причин этого заключается в том, что они используют биоминерализацию для «добычи» воды для минералов, укрепляющих их экзоскелет. Поскольку их экзоскелет нужно линять и отращивать заново, это намного дороже, чем эндоскелет, который можно постоянно выращивать и не тратить впустую.

Говоря о линьке, линька крайне опасна для мелких существ с экзоскелетом. Экзоскелеты не растут, поэтому им приходится сбрасывать свой экзоскелет и жить как капля мягкой слизи, пока они расширяются и растет новый экзоскелет. Для очень маленьких животных это не слишком большая проблема; они просто потеряли броню, а значит, они вкуснее для хищников. Что касается более крупных членистоногих, они должны найти для этого безопасное место, поскольку они даже не смогут двигаться (отсутствие опоры для их тела означает, что их мышцы не могут надежно двигать конечностями, не говоря уже о том, чтобы поддерживать вес их тела). ). Для гигантских существ с экзоскелетом линька является нарушением условий сделки. Представьте себе человека без скелета. Вы не сможете ни дышать, ни перекачивать кровь.

Итак... каков максимальный размер существа с экзоскелетом?

Под водой: самый большой американский лобстер весил 44,4 фунта.

На суше: самый большой кокосовый краб весил 9 фунтов.

Это ваши верхние пределы.

Большая проблема - объем против площади:

Возьмите людей:

• около 1,8 м,
• Ноги сечением примерно 10смх10см (знаю, очень приблизительно).
• Около 80 кг

Это означает, что 100 см ^ 2 должны выдерживать около 80 кг. Если разделить, получится 0,8 кг на квадратный сантиметр.

Возьмите животное вдвое большего размера, сделанное из аналогичной морфологии/материалов:

• высота 3,6 м,
• Ноги 20х20 или 400см^2
• Поскольку вес зависит от объема, вы можете ожидать 640 кг (80*2*2*2).

Это означает, что теперь у вас 640/400 = 1,6 кг/см^2.

Подводя итог: каждый раз, когда вы дублируете размер, вам нужны материалы в 2 раза прочнее. Вот почему у насекомых могут быть очень тонкие ноги, а слону нужны очень короткие/сильные ноги.

Мышцы и кости имеют определенное сопротивление материала, поэтому вы ограничены максимальным размером. Я бы сказал, что вокруг динозавров или их эквивалентов. По сути, Gozilla или KingKong полностью лишены «реальных» возможностей.

Если вам нужны более крупные существа, вы можете представить более прочные материалы (металлический или углеродный экзоскелет), но это просто увеличит максимальный размер в несколько раз (в десятки раз для углеродного волокна).

Другая альтернатива состоит в том, чтобы заставить существо жить в другой среде, которая компенсирует гравитацию (вода?), поэтому оно не сможет двигаться быстро, но может справиться с более крупными размерами (киты).

Какой максимальный размер? Намного больше, чем вы думаете!

Как было описано в предыдущих ответах, проблема заключается, во-первых, в том, как экзоскелет может поддерживать внутренности своего обитателя, а во-вторых, как он может передвигаться на ногах. Если вы перемещаете действие под водой, вы в основном решаете обе эти проблемы, поскольку его внутренности остаются нейтрально плавучими.

Если это научно-фантастический сеттинг, а ваша экзоскелетная раса умна и управляет индустриальным обществом, они могут довольно легко придумать какой-нибудь способ выжить на суше. Будь то индивидуальный костюм (силовая броня?) или, скорее, резервуар для воды на колесах (погружной стиль, за исключением поддержки давления внутри, а не снаружи?), это решаемая проблема.