Die fortschreitenden Änderungen des Quadratwürfelgesetzes an biologischen Kreaturen, wenn sie an Größe zunehmen?

Diese Seite enthält Hunderte von Fragen über die Größe bestimmter Kreaturen und die Auswirkungen des Quadratwürfelgesetzes auf sie. Diese Fragen konzentrieren sich jedoch normalerweise nur auf das Skelett und werden oft mit Beispielen für Gigantismus beantwortet, einem Wachstumsproblem, bei dem die Körperglieder im Vergleich zu den Organen, die es zu unterstützen versuchen, überproportional wachsen.

Wenn wir zum Beispiel ein Insekt vergrößern, wissen wir, dass seine Atmungsmethode irgendwann unzureichend wird und sein Skelett zu schwer wird. Also müssen wir eine andere Lösung verwenden, um diese Probleme zu lösen: Lungen und Endoskelette. Wenn wir dann ein insektenartiges Wesen größer werden lassen, wissen wir, dass andere Probleme in einer bestimmten Reihenfolge auftreten, wie zum Beispiel die Methode der Beinartikulation, die unterschiedliche Methoden erfordert. Meine Frage ist: Wie sieht dieser Fortschritt aus, wenn wir beginnen, von einer humanoiden Größe aufwärts zu skalieren?

Als Beispiel für die Antwort, nach der ich suche, ist hier eine hypothetische Antwort:

Das erste, was eine Lösung braucht, ist das Skelett, um das Gewicht zu tragen, das sich hauptsächlich auf die Beine und Hüften konzentriert. Das nächste, was nachgibt, sind die Muskeln, die einfach nicht genug Oberfläche auf ihrem Querschnitt schaffen können, um ihr eigenes Gewicht effizient zu tragen und der gesamten Kreatur mehr Kraft zu verleihen. Dann wird der Blutdruck zum Problem ... dann neurologische Probleme, ihn zu steuern ... dann die Oberfläche des Lungengewebes, die Darmlänge, die Leberposition, die Nieren usw.

Das Ziel ist es, Menschen mit Fragen eine einfache Richtlinie zu geben, was Größe mit einer Kreatur macht und wo ungefähr auf der Größenskala ihre Kreatur sein wird und welche Änderungen notwendig sind, um dies Wirklichkeit werden zu lassen.

Antworten (2)

Wenn man über Größe und Gewicht spricht, sollte man bedenken, dass es einige „Schummel“-Mechanismen gibt. Warum waren zum Beispiel Dinos im Allgemeinen größer als Säugetiere? Sie haben betrogen! Zum Beispiel: Hohlröhrenknochen - leichter und fester, "doppelter Atem" - viele dieser Hohlräume wurden als Airbags verwendet, kleines Gehirn - mehr Ressourcen für Muskeln, weniger Wärmeproduktion usw.

Dies bedeutet, dass diese Liste sehr spezifisch für die Tierart ist, über die wir sprechen. Für Menschen ist der Hüftbruch der erste kritische Punkt, für Flusspferde und Elefanten sind es Knie, für Fische ist es der Stoffwechsel (er kann nicht schnell genug essen), für Dinos ist es das Wärmemanagement, für Insekten ist es die Atmung.

Sie können einfach keine universelle "Cheat-Tabelle" für alle Kreaturen haben.

Sie können einen universellen Spickzettel haben. Dinos verwendeten aufgrund ihrer Größe hohle Knochen, ein Mensch dieser Größenordnung würde ähnliche hohle Knochen wie die Dinos (und früher aufgrund von Zweibeinern) benötigen. Die genaue Platzierung eines Problems wie Hüfte oder Knie ist weniger wichtig als die Lösung: Beide werden durch die gleiche Art von Übergewicht verursacht und würden ähnliche Lösungen erfordern. Das Atmen von Insekten ist ein Problem, da ihre Größe in diesem Moment diese Art von Atmungsmechanismus nicht mehr zulässt. Im Grunde haben Sie also nur ein paar Beispiele für Probleme gegeben, aber nicht, wo sie im Scale-Cheatsheet auftreten würden.
@Demigan, alle meine Beispiele sind zuerst im Cheatsheet für jede Tierart. Bei Säugetieren kommt zuerst die strukturelle Stabilität und das sind nicht nur Hohlknochen – es ist der ganze Komplex aus dem ersten Absatz. Aber für Dinos ist es die ganze andere Geschichte - sie hatten es bereits (und aus anderen Gründen als der Größenzunahme)
Wenn Sie ein Säugetier vergrößern, muss es bestimmte Meilensteine ​​​​überschreiten. Wenn sie an Größe zunehmen, werden ihre Form und die Lösungen für die Größenzunahme immer mehr den Dinos ähneln, die nicht unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrachen, speziell wegen der Lösungen, die sie hatten. Eine ähnliche Verkleinerung eines Dinos würde zu genau demselben Spickzettel in umgekehrter Richtung führen, wobei immer mehr Optionen möglich werden und der Dino effizienter wird, bis er im Grunde ein Säugetier ist, und wenn er weiter geht, würde er sich im Grunde genommen in ein Insekt verwandeln.
@Demigan, du liegst ziemlich falsch. Kolibri ist ein Dino, der kleiner ist als einige Insekten, aber er hat nichts mit ihnen gemeinsam. Wie ich bereits sagte - alle Dino-Funktionen wurden nicht zur Größenkontrolle entwickelt, sondern aus anderen Gründen (hauptsächlich zur Geschwindigkeits- und Thermokontrolle). Elefanten haben eine ähnliche Größe und ein ähnliches Gewicht wie viele Allosaurus, aber sie haben sehr wenig gemeinsam. Das Gleiche gilt für alle gleich großen Fische/Säugetiere/Dinos/Insekten – jeder von ihnen wählt seine eigene Strategie, um mit kubischen Quadraten zu kämpfen, selbst wenn sie ähnlich aussehen (wie große Wasserräuber).
Danke, dass Sie versucht haben, eine vollkommen gute Frage zu ruinieren. Hier geht es nicht um Evolution, sondern um die notwendigen Veränderungen bei verschiedenen Größen. Ein Vogel muss viel früher modifiziert werden, weil er fliegen muss, aber aus genau demselben Grund: Er wäre nicht in der Lage, sein eigenes Gewicht zu tragen. Der Spickzettel wäre immer noch größtenteils derselbe mit wenigen Ausnahmen wie Darmlänge und Blutdruck.
Vergessen Sie nicht den viel höheren Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre. Wenn Sie einen Dinosaurier aus der Vergangenheit in die Gegenwart bringen würden, würde er wahrscheinlich ersticken
@ Demigan, Vögel haben kein intrinsisches Bedürfnis zu fliegen. Es ist nur eine Anpassung an den evolutionären Druck von Säugetieren. Und ich verstehe klar, was Sie wollen. Und ich möchte, dass Sie meinen Punkt klar verstehen: Es gibt keine universelle Wirkungsskala. Probleme mit der Atmung können sowohl vor als auch nach Problemen mit Knochen oder Muskeln auftreten. Es hängt vom Körperbau der Kreatur, dem Stoffwechsel und vielen anderen Bedingungen ab.
@elPolloLoco, tatsächlich gab es in Dinosaurierzeiten Zeiten, in denen der Sauerstoffgehalt geringer war als vorhanden. Dinosaurier waren sowohl einzeln als auch als Gruppe sehr anpassungsfähige Kreaturen.

Der beste Weg, die Tyrannei des Quadratwürfelgesetzes zu besiegen, besteht darin, in fraktalbasierte Organe, Verteilungssysteme und Strukturen zu investieren. Ein hohes Maß an Fraktalität (bekannt als fraktale Dimension) kann im Wesentlichen dazu führen, dass sich ein 1D-, 2D- oder 3D-System so verhält, als ob es eine höhere Dimension hätte, als es tatsächlich ist. Ein Beispiel für ein solches System ist Ihre Lunge. Sie hängen von der Oberfläche ab, um Sauerstoff zu diffundieren, aber sie skalieren, als ob sie irgendwo zwischen 2 und 3 Dimensionen wären.

Wenn Ihre Kreatur perfekt fraktale Oberflächen und Volumina entwickelt, könnten sie vielleicht unbegrenzt skalieren, nicht länger an die Tyrannei des quadratischen Würfels gebunden. Wenn es perfekt fraktal wäre, würde die Oberfläche der Lungen, Kapillaren, Haut und mehr Ihrer Kreatur kubisch skalieren, wodurch die Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen erhalten bleiben, die für verschiedene Organismen benötigt werden.

Ich sollte anmerken, dass ein solches Fraktalmuster in jedem lebenden Organismus mit ziemlicher Sicherheit praktisch unmöglich wäre, aber es ist theoretisch möglich . Leider sehe ich keinen Weg, wie Dinge, die auf der Querschnittsfläche beruhen, auf die gleiche Weise davon profitieren, hoch fraktal zu sein. Zumindest müssen Sie sich beim Skalieren keine Gedanken über Oberflächen machen, wenn Sie davon ausgehen, dass sie stark fraktal sind.

Fraktale sind einer der Gründe, warum viele der folgenden Gleichungen um 1,75 statt um 2 zunehmen. Das nenne ich evolutionäre Effizienz!

Einige nützliche Gleichungen und Konzepte, die Sie bei der Skalierung von Tieren beachten sollten:

  • N = wie oft die Masse verdoppelt wird.

  • Die Herzfrequenz sinkt um 1,25^N.

  • Die Lebensdauer erhöht sich um 1,25^N.

  • Der Kalorienbedarf steigt um 1,75^N.

  • Die Gehirngröße nimmt um 1,75^N zu.

  • Der Querschnitt der Aorta erhöht sich um 1,75^N.

  • Die zelluläre Mitochondriendichte nimmt um 1,25^N ab.

  • Die Gesamtzahl der Herzschläge in einem Leben bleibt konstant.

  • Das Verhältnis von Masse zu Querschnittsfläche steigt um 2^N.

  • * Bedeutet, dass sich die relative Größe der Knochen jedes Mal verdoppeln muss, wenn sich die Größe einer Kreatur verdoppelt

  • *gilt nicht explizit für Kreislauf- und Atmungssysteme bei den meisten Tieren, da sie stark fraktal sind und daher mit 1,75^N skaliert werden

  • Die durchschnittliche Zellgröße bleibt konstant

  • Blutdruck und Geschwindigkeit bleiben konstant

  • Viele dieser Zahlen stammen aus dem fantastisch geschriebenen Buch Scale , das, wie der Name schon sagt, eine fantastische Lektüre über die Auswirkungen von Größenunterschieden auf das Leben und die Muster ist, die dem Leben aller Größen innewohnen.

Abschließend sei bemerkt, dass es noch viel mehr Faktoren gibt, die sich auf die Skalierung auswirken, aber das sind einige der wichtigsten, und hoffentlich können sie Ihr Denken leiten.

Die fortschreitenden Änderungen des Quadratwürfelgesetzes an biologischen Kreaturen, wenn sie an Größe zunehmen?
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