Auf einer Welt, die ich baue, habe ich eine Spezies von Kreaturen, die sich aus Krustentieren entwickelt haben. Das Problem ist, dass sie zwar ein Exoskelett haben, aber auch auf einer Welt mit der gleichen Schwerkraft wie die Erde leben. Ich habe an ein paar Lösungen gedacht, von einem zusätzlichen inneren Skelett bis hin zu inneren Exoskelett-Trennwänden, um kritische Organe an Ort und Stelle zu halten, aber sie alle scheinen sich wie Ausreden und nicht wie Merkmale anzufühlen.
Was ist die maximale Größe einer Exoskelett-Kreatur auf einer Welt mit erdähnlicher Schwerkraft? Was kann an ihrer Biologie getan werden, um diese Größe zu erhöhen? Was (außer der Schwerkraft) kann mit dem Planeten getan werden, um seine maximale Größe zu erhöhen?
Die Antwort lautet etwa 2 bis 3 Meter auf der alten Erde, als das Erdklima heißer war und es viel mehr Sauerstoff gab.
Ich kann die Referenz nicht finden, aber soweit ich mich erinnere, korrelierten die Einschränkungen bei Exoskelett-Kreaturen, wie in anderen Antworten gezeigt, nicht mit der Kraft, die erforderlich ist, um das Gewicht zu halten. Die Realität ist, dass es damit zu tun hat, dass die Herz-Kreislauf-Systeme von Exoskelett-Kreaturen ziemlich unterlegen sind und größere Strukturen nur zulassen, wenn sie in sauerstoffreichen Umgebungen leben. Hat etwas mit Oberfläche und Atemeffizienz zu tun.
Die Grundlagen von dem, was ich sagen und zusammensetzen kann, sind, dass sich Exoskeletttiere in den Ozeanen entwickelt haben und anfingen, an Land zu kommen. Etwa zur gleichen Zeit entwickelten sich Pflanzen an Land und reinigten die Atmosphäre, indem sie sie mit Sauerstoff anreicherten, was es Exoskeletttieren ermöglichte, im Vergleich zu dem, was sie heute sind, zu relativ massiven Größen heranzuwachsen. Weil die Pflanzen die Landschaft dominierten, ihre Energiequellen behinderten und ihre Welt verschmutzten, erreichten sie einen Punkt, an dem sie zu sterben begannen. Die Exoskelett-Kreaturen produzierten nicht genug CO2 und es tauchten Tiere auf, die viel effizienter waren. Dies führte dazu, dass die Exoskelett-Kreaturen und -Pflanzen abstarben, bis die Stabilität mit den neuen CO2-produzierenden Tieren das System stabilisierte, das schließlich viel niedriger war als das, was für die 2-3-Meter-Körper der Exoskelett-Kreaturen benötigt wurde.
Soweit ich weiß, gibt es keinen Grund, warum eine Kreatur mit einem Exoskelett kein effizienteres Atmungssystem entwickeln könnte, das es ihnen ermöglichen würde, sich weiter zu entwickeln und ihre Welt bei größeren Größen zu dominieren.
Sobald Sie das verstanden haben, kommen die Einschränkungen des Exoskelettgewichts ins Spiel ...
Eine interessante Idee ist, dass diese Kreaturen hypothetisch massiv sein und ihr ganzes Leben lang weiter wachsen könnten, nur gestoppt, wenn sie zu groß werden, um sich zu häuten und ein neues Exoskelett wachsen zu lassen. Das bedeutet, dass ihr Gehirn im Vergleich zu unserem auch massiv wachsen könnte, weil sie nicht durch das Geburtskanalproblem eingeschränkt sind.
Es gibt mehrere Einschränkungen für die Größe von Arthropoden, die teilweise mit dem Quadratwürfelgesetz und teilweise mit der Mechanik zusammenhängen. Für alle diese Einschränkungen gibt es Lösungen, aber das Ergebnis gilt möglicherweise nicht als echte Arthropoden. Eine allgemeine Übersicht finden Sie in diesem Artikel .
Laut diesem Artikel (Zitat von Wikipedia):
Der größte bekannte Arthropode ist der Eurypterid (Seeskorpion) Jaekelopterus mit einer Körperlänge von bis zu 2,5 m (8,2 ft), gefolgt von der Tausendfüßler-Verwandten Arthropleura mit einer Länge von etwa 2,1 m (6,9 ft).
Laut diesem Artikel :
Arthropoden haben ein offenes Kreislaufsystem: Anstatt Arterien und Venen zu haben, um das Blut zu leiten, besitzen Arthropoden offene Nebenhöhlen, in denen das Blut die Organe direkt umspült. Inwiefern impliziert dies eine Einschränkung für ein riesiges Insekt? Obwohl es keinen aktiven Mechanismus gibt, der das Blut durch den Körper pumpt, wäre es für ein riesiges Insekt aufgrund der Schwerkraftwirkung sehr schwierig, alle seine Zellen mit Sauerstoff zu versorgen und zu ernähren.
Auf der anderen Seite atmen die meisten Insekten passiv durch ihre Stigmen, die mit einem internen System verzweigter Leitungen verbunden sind, die „Trachea“ genannt werden. Daher entwickeln sie kein aktives System, um Luft zum Eindringen in ihren Körper zu zwingen, sondern sie tritt passiv durch diese „Luftröhre“ ein und erreicht das Innere des Körpers der Arthropoden, um alle Zellen mit Sauerstoff zu versorgen.
Die Diffusion von Gasen ist über kleine Entfernungen wirksam, aber nicht über größere. Rieseninsekten würden also ernsthafte Probleme haben, ihr Gewebe mit Sauerstoff zu versorgen, wenn sie große Größen erreichen. Darüber hinaus würde die derzeitige atmosphärische Sauerstoffkonzentration (21%) nicht ausreichen, um einen so großen Organismus mit einem so einfachen Atmungsmechanismus mit Sauerstoff zu versorgen.
Es muss gesagt werden, dass all diese Einschränkungen in aquatischen Ökosystemen abgeschwächt werden, wo das Gewicht der Kutikula und die Diffusion von Sauerstoff kein Problem für das Wachstum darstellten. Das erklärt, warum die größten Arthropoden (und andere wirbellose Tiere) der Welt hauptsächlich in aquatischen Ökosystemen leben.
Laut diesem Artikel :
Vielleicht hat das Tier Buchlungen wie eine Spinne, oder vielleicht haben sich die Stigmen eines Insekts nach innen verzweigt und sind zu einem luftgefüllten Luftröhrensystem geworden, das mit dem flüssigkeitsgefüllten Herz-Kreislauf-System des Blutes verflochten ist. Jedes Bein hat seinen eigenen „Herz-Lungen-Komplex“ und einen großen im Bauch, um die Organe zu ernähren.
Anstatt ein- und auszuatmen, atmen diese Tiere DURCH, wobei Luft durch Luftlöcher in der Nähe des Kopfes in das System eintritt und in der Nähe des Schwanzes wieder austritt. Luft wird durch die Wirkung der muskulären Blutgefäße gepumpt, die sich um die Trachealtuben wickeln, oder durch Muskelkontraktion des gesamten Bauches (wie ein Ballon, der sich aufbläst und entleert). Das Laufen erzeugt auch mehr Durchfluss.
Laut diesem Artikel :
In Bezug auf die Stärke funktionieren Chitinhüllen um die Beine (die Käfer bereits haben) gut. Wenn Sie rechnen, werden Sie feststellen, dass ein Käferbein, das auf die Abmessungen eines meiner Beine (100 cm lang und 20 cm im Durchmesser) skaliert wurde, ein etwa 0,6 cm dickes Exoskelett hat, das etwa die gleiche Masse und ein Viertel hat von der Dicke der Knochen in meinem Bein. Das ist nicht schlecht, besonders wenn man bedenkt, wie viel Spaß man mit Lufteinschlüssen, verschiedenen Materialien und der genauen Form des betreffenden Knochens haben könnte. Ich bin zuversichtlich, dass Exoskelettbeine funktionieren werden, zumindest für ein Tier meiner Größe.
Das eigentliche Problem ist, dass ein Exoskelett abgeworfen werden muss, wenn das Tier darin wächst. Stellen Sie sich einen löwengroßen Arthropoden vor, der sich häutet und von einem gepanzerten Kampfdämon zu einem matschigen rosa Klumpen wird. Es ist möglicherweise nicht in der Lage, das Gewicht seiner eigenen Organe zu tragen, geschweige denn zu rennen und Beute zu verfolgen.
Laut diesem Artikel :
Es gibt Möglichkeiten, das Problem zu lösen. Grabe ein Loch und verstecke dich darin, solange es weich ist. Tauchen Sie in unterstützendes Wasser ein. Bauen Sie einen „mobilen Kokon“ aus dem alten ausrangierten Exoskelett und Seide. Oder lassen Sie das Skelett einfach mitwachsen.
Seeigel haben auch Außenskelette, aber ihre bestehen aus sechseckigen Platten, die getrennt werden können und deren Zwischenräume mit einem Zwischenmaterial (in diesem Fall Kollagen) gefüllt sind, das später die erforderliche Härte und Steifigkeit erreicht (in diesem Fall Calciumcarbonat). Die Knochen unseres Schädels (die in gewisser Weise Exoskelette sind) funktionieren auf die gleiche Weise. Der Unterschied besteht darin, dass wir auch spezialisierte Zellen (Osteoklasten) haben, die sowohl alten Knochen zerstören als auch ihn bilden können (Osteoblasten), so dass das Ganze, selbst wenn sich die Platten zu einem Schädel geformt haben, weiter wachsen kann, wenn alter Knochen abgezogen wird von innen und außen ergänzt.
Gefällt Ihnen diese Idee nicht? Sie können das Exoskelett in Schuppen zerlegen, die wie Puzzleteile Kante an Kante einrasten und wie Haifischzähne einzeln verloren und nachwachsen können, ohne die strukturelle Integrität zu opfern (Bonus: Videospiel-Boss schwach Flecken!). Muskeln, die an Bereichen ohne Schalen verankert sind, haben keine Hebelwirkung und sind nutzlos, bis die neue Schale aushärtet. Das Tier muss sein Verhalten ändern, sich entweder Hilfe von Artgenossen holen oder sich aus gefundenen Materialien (Holz? zu Seide gesponnene alte Schuppen?) eine provisorische Krücke bauen. Entweder das, oder muskelverankernde Schuppen bleiben unvergossen und werden in große, tote Strukturen eingebaut, wenn das Tier wächst, wie die Rassel einer Klapperschlange.
Laut diesem Artikel :
Wie tragende Gelenke (wie Knie und Hüften) in großen Lebewesen funktionieren, ist die Last auf eine möglichst große Fläche zu verteilen und das Gelenk zu dämpfen und zu schmieren, indem es mit lebendem Gewebe umgeben wird.
Offensichtlich können Kreaturen mit Exoskeletten ein Gelenk nicht mit lebendem Gewebe umgeben, sonst hätten sie kein Exoskelett. Und ohne dieses Polster und diese Schmierung sind sie in der Art der Gelenke, die sie haben können, etwas eingeschränkt. Zum Beispiel haben Menschen Scharniergelenke (Ellenbogen), Kugelgelenke (Oberschenkel bis Becken), Gleitgelenke (Handgelenk) und einige andere. Kreaturen mit Exoskeletten haben in erster Linie das Stiftgelenk.
Das Stiftgelenk hat im Wesentlichen ein Paar Vorsprünge an einem Schenkel des Gelenks, die in ein Paar Vertiefungen an dem anderen Schenkel des Gelenks passen. Wenn Sie das nächste Mal Hummer essen, können Sie dies leicht erkennen, wenn Sie genau untersuchen, wo der „Daumen“ der Schere mit der „Hand“ der Schere verbunden ist.
Stiftgelenke sind ein Problem, wenn Kreaturen an Größe zunehmen, weil sie die gesamte Kraft des Gelenks auf einen relativ kleinen Bereich übertragen. Ich möchte, dass Sie jetzt aufstehen und sich mit den Fersen vom Boden auf die Fußballen stellen. Gehen Sie dann mit geradem Rücken langsam in die Hocke. Spüren Sie den Druck in Ihren Knien? Stellen Sie sich das mal dreißig vor, und Sie haben eine Vorstellung davon, was Außenskelettgelenke bei Ihrer Größe aushalten müssten.
Laut diesem Artikel :
jede andere Art von Gelenk (zum Beispiel das Kugelgelenk in Ihrem Daumen) würde die harte Oberfläche auf der Innenseite erfordern, was so etwas wie das Gegenteil eines Exoskeletts ist.
Riesenarthropoden können ohne hohe Mengen an atmosphärischem Sauerstoff nicht existieren. Selbst dann können ihre Exoskelette nicht mit Endoskeletten konkurrieren. Die Überwindung dieser Einschränkungen würde die Entwicklung einer neuen Gruppe von Pseudo-Arthropoden mit einer Vielzahl einzigartiger Strategien erfordern.
Ohne innere Knochen könnten sie strukturelle Sehnen haben, die unter Spannung arbeiten , nicht unter Druck. Stellen Sie sich vor, Sie ziehen starke Drähte über die starre umgebende Schale, wie bei einem Tennisschläger. Dies kann zur internen Unterstützung genutzt werden.
Erwägen Sie, Muskeln zu verwenden, um starke starre Formen zu bilden. Ich habe vergessen, wie es heißt, aber wenn das Muskelgewebe rechtwinklig und mit dem Rohr ausgerichtet ist, ergibt es eine unbiegsame Form (im Gegensatz zu einer 45-Grad-Helix, die ein Biegen ohne Knicken ermöglicht). Das Spezial des Wissenschaftskanals über mögliches zukünftiges Leben beschrieb Kopffüßer, die sich auf diese Weise an Land bewegen.
Einige Tiere haben innen eine Schale gewachsen. Wenn sie also Knochen nicht einfach von Grund auf neu entwickeln können, wachsen sie vielleicht leichter das gleiche Zeug, das sie waren, aber im Inneren.
Eine großartige Erklärung des Skalierungsproblems für Exoskelett-Kreaturen
Zusammenfassend:
Exoskelette haben wirklich schreckliche Gelenkoptionen, die nicht gut tragen können. Im Wesentlichen können Sie ein Stiftgelenk haben (denken Sie an Krebsschere) oder einfach Ihr Skelett ein wenig weicher machen und hoffen, dass es zusammenhält. Während Wirbellose viele Gelenkoptionen haben, von denen viele spektakulär tragend sind (denken Sie an Knie und Hüften). Es gibt einfach keine Möglichkeit, dies mit einem Exoskelett zu replizieren.
Exoskelette sind wirklich schwer. Sie machen einen größeren Anteil am Körpergewicht eines Tieres aus als Endoskelette, und dies wird mit zunehmender Skalierung noch schlimmer (Quadratwürfelproblem; Würfeln einer größeren Anzahl). Das bedeutet auch , dass es nicht gut funktionieren wird, eine Kreatur mit sowohl einem Endoskelett als auch einem Exoskelett zu haben. Sie würden so viel wiegen, dass sie sich kaum bewegen könnten.
Apropos Bewegung, sie werden nicht in der Lage sein zu rennen, ohne sich das Exoskelett der Beine zu brechen.
Exoskelette sind teuer. Die meisten großen Kreaturen mit Exoskeletten leben im Meer. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass sie die Biomineralisation verwenden, um das Wasser nach Mineralien zu "abbauen", um ihr Exoskelett zu härten. Da ihr Exoskelett gehäutet und nachgewachsen werden muss, ist dies viel teurer als ein Endoskelett, das kontinuierlich wachsen und nicht verschwendet werden kann.
Apropos Häutung, Häutung ist für kleine Kreaturen mit einem Exoskelett extrem gefährlich. Exoskelette wachsen nicht, also müssen sie ihr Exoskelett fallen lassen und als Klecks weicher Schmiere leben, während sie sich ausdehnen und ein neues Exoskelett wächst. Für sehr kleine Tiere ist das kein allzu großes Problem; Sie haben gerade ihre Rüstung verloren, was bedeutet, dass sie für Raubtiere schmackhafter sind. Für größere Arthropoden müssen sie dafür einen sicheren Ort finden, da sie sich nicht einmal bewegen können (keine Unterstützung für ihren Körper bedeutet, dass ihre Muskeln ihre Gliedmaßen nicht zuverlässig bewegen können, geschweige denn das Gewicht ihres Körpers tragen können ). Für riesige Exoskelett-Kreaturen ist das Häuten ein Deal-Breaker. Stellen Sie sich einen Menschen ohne Skelett vor. Sie wären nicht in der Lage zu atmen oder Ihr Blut zu pumpen.
Also ... was ist die maximale Größe einer Exoskelett-Kreatur?
Unterwasser: Der größte amerikanische Hummer wog 44,4 Pfund.
An Land: Die größte Kokosnusskrabbe wog 9 Pfund.
Das sind Ihre Obergrenzen.
Das große Problem ist Volumen vs. Fläche:
Nehmen Sie Menschen:
Das bedeutet, dass 100 cm² etwa 80 kg tragen müssen. Wenn Sie teilen, sind es 0,8 kg pro Quadratzentimeter.
Nehmen Sie ein Tier von doppelter Größe, das mit ähnlicher Morphologie/ähnlichen Materialien hergestellt wurde:
Das heißt, Sie haben jetzt 640/400 = 1,6 kg/cm^2
Zusammenfassend: Jedes Mal, wenn Sie die Größe duplizieren, benötigen Sie zwei Mal stärkere Materialien. Aus diesem Grund könnten Insekten sehr dünne Füße haben und ein Elefant sehr kurze/starke Füße.
Muskeln und Knochen haben einen bestimmten Materialwiderstand, sodass Sie auf eine maximale Größe beschränkt sind. Ich würde sagen, um was für Dinosaurier oder ähnliches es sich handelt. Grundsätzlich sind Gozilla oder KingKong völlig außerhalb der "echten" Möglichkeiten.
Wenn Sie größere Kreaturen wollen, können Sie sich stärkere Materialien vorstellen (Metall- oder Kohlefaser-Exoskelett), aber das erhöht die maximale Größe nur um den Faktor von ein paar Mal (ein Zehnfaches für Kohlefaser).
Die andere Alternative besteht darin, die Kreatur in einer anderen Umgebung leben zu lassen, die die Schwerkraft kompensiert (Wasser?), sodass sie sich nicht schnell bewegen kann, aber größere Größen (Wale) bewältigen kann.
Was ist die maximale Größe? Viel größer als man denkt!
Wie in früheren Antworten beschrieben, besteht das Problem erstens darin, wie das Exoskelett das Innere seines Bewohners stützen kann, und zweitens, wie es sich auf Beinen bewegen kann. Wenn Sie die Aktion unter Wasser bewegen, lösen Sie im Grunde diese beiden Probleme, indem ihr Inneres neutral schwimmfähig ist.
Wenn dies eine Science-Fiction-Umgebung ist und Ihre Exoskelett-Rasse intelligent ist und eine Industriegesellschaft führt, können sie ziemlich leicht einen Weg finden, um an Land zu überleben. Ob es sich nun um einen individuellen Anzug (angetriebene Rüstung?) oder eher um einen Wassertank auf Rädern handelt (untertauchbarer Stil, außer Druck auf der Innenseite statt auf der Außenseite zu unterstützen?), Es ist ein lösbares Problem.
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