Die folgende Tatsache steht im Mittelpunkt dieses und vieler ähnlicher Probleme mit Größen von Dingen: Nicht alle physikalischen Größen skalieren mit der gleichen Potenz der linearen Größe.

Einige Größen, wie die Masse, gehen als Würfel Ihrer Skalierung - verdoppeln Sie jede Dimension eines Tieres, und es wird achtmal so viel wiegen. Andere Größen gehen nur als Quadrat der Skalierung. Beispiele für diese letztere Kategorie umfassen

• Muskelkraft (ein längerer Muskel kann nicht mehr Kraft ausüben als ein kürzerer mit gleicher Querschnittsfläche),
• Pumpfähigkeit des Herzens (das Herz ist nicht massiv, sondern eher hohl, so dass die Menge an Muskelkraft, die es antreibt, als Oberfläche gilt),
• Die Kompression/Spannung, die sicher von einem Knochen übertragen werden kann (Materialstärke ist intrinsisch und unabhängig von der Größe, daher ist der auszuhaltende Druck konstant, sodass die auszuhaltende Kraft - Querschnittsfläche mal Druck - das Quadrat ist der Größe) und
• Die Fähigkeit, Material auszutauschen und die Umgebung zu erwärmen (einzelne Zellen haben es zum Beispiel schwer, groß zu werden, weil ihr Stoffwechsel sich in Würfel der Größe bewegt, aber ihre Fähigkeit, Nährstoffe durch ihre äußeren Membranen zu transportieren, skaliert nur mit der Fläche dieser Membranen ),

zumindest in erster annäherung. Sie könnten sich auch andere Mengen einfallen lassen, die sich je nach Größe anders skalieren.

Infolgedessen wird das einfache Vergrößern eines Organismus das Gleichgewicht zunichte machen, das für diese bestimmte Größe erreicht wurde. Seine Muskeln werden wahrscheinlich zu schwach sein, seine Knochen werden wahrscheinlich brechen, und es wird so viel innere Hitze erzeugen (wenn es warmblütig ist), dass das einzige erreichbare Gleichgewicht angesichts seiner vergleichsweise kleinen Oberfläche bei einer Temperatur wäre, die hoch genug wäre, um viele zu denaturieren Proteine.

Betrachten Sie für ein völlig nicht-biologisches Beispiel die Tatsache, dass Flugzeuge nicht beliebig groß gemacht werden können, und tatsächlich haben Flugzeuge unterschiedlicher Größe sehr unterschiedliche Formen und technische Anforderungen. Die Oberfläche der Flügel skaliert nicht auf die gleiche Weise wie die Gesamtmasse, und die Spannungen und Drücke, denen das Material standhalten muss, bleiben nicht konstant, wenn Sie das Flugzeug vergrößern.

Sie können beliebig groß werden, solange Sie im Wesentlichen flach sind. Zum Beispiel bedeckt ein Pilz mehrere tausend Hektar ; Es gibt einen Hain klonaler Espen, die möglicherweise eine höhere Masse haben.

Das Skalieren in drei Dimensionen ist jedoch viel schwieriger. Der Druck auf den Boden ist proportional zur Höhe – schließlich ist dieser Druck zu groß, als dass das Gewebe standhalten könnte. (Ebenso bei vielen anderen Überlegungen).

Sie könnten also beliebig große, im Wesentlichen 1D- oder 2D-Tiere haben (wenn sie gleichmäßig über den ganzen Körper verteilte Münder hätten). Aber anscheinend ist das nicht sehr konkurrenzfähig mit 3D-Formen (z. B. ist es sehr schwer, sich vor Raubtieren zu verstecken, wenn man ein riesiges Blatt ist), also sind es nicht länger als ein paar Dutzend Meter. (Es gibt zum Beispiel einen über 50 Meter langen Wurm . Er hat jedoch nur einen Mund.)

Die grundlegende Antwort ist, dass die Masse mit dem Würfel der linearen Dimension skaliert und die Stärke von Dingen wie Beinen mit dem Quadrat der linearen Dimension skaliert. Beachten Sie, dass große Tiere daher vergleichsweise dickere Beine entwickelt haben als kleinere. Vergrößern Sie einen Hund linear auf Elefantengröße, und seine Beine würden brechen. Noch extremer, denken Sie daran, eine Ameise auf Elefantengröße zu skalieren.

All dies bedeutet, dass die maximale praktische Größe eines sich bewegenden Tieres durch die Stärke des Stützmaterials (in unserem Fall Knochen) im Verhältnis zur Schwerkraft in der Umgebung (in unserem Fall 1 g) bestimmt wird. Wenn sich Tiere mit einem ähnlichen Strukturmaterial auf einem Planeten mit höherer Schwerkraft entwickelt hätten, würden wir erwarten, dass die größten kleiner sind als hier auf der Erde.

Das Problem lässt sich einigermaßen umgehen, wenn das Tier im Wasser schwimmt. Es ist kein Zufall, dass das größte Tier mit beweglichem Körper ein Wassertier ist. Irgendwann kommen andere Parameter, die nicht gleich mit linearer Dimension skalieren, in die Quere, auch wenn sie rundum von Wasser unterstützt werden.

Die direkte Antwort der Physik auf diese Frage - nämlich "Nicht alle physikalischen Größen skalieren mit der gleichen Potenz linearer Größe." - wird von Chris White perfekt auf den Punkt gebracht. Dies beantwortet im Wesentlichen Ihre Frage zu riesigen Robotern – es gibt keine harten Grenzen, aber die Probleme mit der Skalierungsleistung bedeuten einfach, dass es immer schwieriger wird, immer größer und größer zu bauen. Die moderne Technik zeigt, wie anders diese Frage ist, wenn man sie auf Tiere anwendet. Die Grenzen machen sich bemerkbar, aber bei Maschinen ganz anders als bei Tieren. Werfen Sie einen Blick auf diese Kohleabbaumaschine von Krupp, mit der Braunkohle (dh sehr nasse) Kohle in Nordrhein-Westfalen abgebaut wurde (das westlichste klebrige Stück Deutschland auf einer Karte).

Die Maschine ist 95 Meter hoch und 215 Meter lang, wiegt 46.000 Tonnen und „frisst“ täglich 76.000 Kubikmeter Kohle, Gestein und Erde.

Okay, die Baumaterialien sind bei Maschinen und Tieren sehr unterschiedlich, aber Tiere haben Knochen , deren Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wir erst vor kurzem mit hochentwickelten Verbundwerkstoffen erreicht haben. Ich denke also, dass man mit ziemlicher Sicherheit sagen kann, dass lebende Tiere im Gegensatz zu Maschinen nicht einmal in die Nähe der in Chris 'Antwort erwähnten "physikalischen" Grenzen kommen, die gelten würden, wenn lebende Tiere über reichlichere Ressourcen verfügen würden.

Welche anderen Grenzwerte gelten bei Tieren? Sie sind im Wesentlichen biologisch, und daher muss diese Frage wirklich auch im Biologie-Stack-Austausch gepostet werden. Aber sie sind es wert, hier als Beispiel für einige interessante dynamische System- und spieltheoretische Phänomene erwähnt zu werden - sie sind eine abstrakte Form von Johannes' Antwort - nämlich Wendigkeit , sowohl physisch als auch genetisch. Eine gute Fallstudie hier ist Amphicoelias Fragillimus und ähnliche riesige Sauropoden-Dinosaurier als vielleicht die größten Kreaturen, entweder an Land oder im Meer, die jemals auf der Erde wandelten:

1. Wenn Sie sehr groß werden, bedroht Sie kein Raubtier direkt. Aber das ist nur die halbe Evolutionsgeschichte: Sie müssen Ihre Jungen auch schützen und verteidigen . Dafür braucht man entweder Agilität oder ein anderes Verhalten oder eine Strategie, um an seiner Stelle zu stehen, wo die Hauptgrenzen in Aufkags Aufsatz Burness, Diamond and Flannery, „Dinosaurs, dragons, and dwarfs: The evolution of maximum body size“ liegen in den Vordergrund;

2. Wenn Sie sehr groß werden, verlangsamt sich Ihre Entwicklung. Es dauert lange, erwachsen zu werden und sich fortzupflanzen. Die Generationsperiode wird lang. Wenn Sie sich evolutionäre Anpassung als eine Suche im Konfigurationsraum vorstellen, um Wege zu finden, sich an Veränderungen um Sie herum anzupassen, dann wird die Geschwindigkeit dieser Suche durch die Generationsperiode bestimmt.

"Entwerfen" einer Großtiermaschine: Amphicoelias Fragilimus

Meine Zeichnung unten zeigt die vergleichbaren Größen einiger Sauropoden-Dinosaurier, eines Menschen und eines der Spielzeuge des Menschen, des Airbus A380. Letzterer ist (hauptsächlich weil er voller Luft ist) nur wenig größer als Amphicoelias Fragilimus (das große rotbraune, 60 m lange Wesen im Hintergrund), aber ihre Gewichte sind ziemlich vergleichbar (zumindest wenn der Airbus unbeladen ist). Wie Amphicoelias mit dem Problem der Wärmeableitung umgeht, wird in Rex Kerrs Antwort erwähnt, denn sie ist im Wesentlichen ein flaches Tier, das von vorne betrachtet sehr schmal ist. Vielleicht bezieht sich ihr spezifischer Name fragilimus darauf, wenn wir die Bedeutung von leicht nehmen - ich weiß eigentlich nicht, woher der Name kommt. Abgesehen davon ist an einem so kolossalen Gewicht natürlich nichts „zerbrechlich“.

Schauen wir uns nun an, wofür sich Amphicoelias entwickelt hat. Ihre Nahrung waren die harten Nadelblätter und das Holz der Nadelwälder ihrer Zeit – ihre Zeit war eine Ära vor Angiospermen: vor Früchten, Blumen und Gräsern. Sie musste also im Wesentlichen eine riesige enzymkatalysierte Zellulose-Verdauungsanlage auf Beinen sein. Ein bescheidener moderner Chemieingenieur hätte keinerlei Schwierigkeiten damit, eine Anlage dieser bescheidenen Größe mit ziemlich banalen (nicht fortschrittlichen Verbundwerkstoffen) Baumaterialien zu entwerfen und zu bauen; Die ungefähr dreißig Tonnen Zellulose, die sich gleichzeitig im Schlund von Amphicoelias befinden, wären eine kleinere Zahl für die Verarbeitung in der heutigen Welt, die von Skaleneffekten besessen ist. Das mechanische Design und die Technologie, die erforderlich sind, um eine solche Anlage mobil zu machen, wirft Probleme auf, die unsere Technologie problemlos überwindet. Zusamenfassend,

Abschirmung und Verteidigung der Jungen, Herdenverhalten und Ressourcenknappheit

Kein Raubtier ihrer Zeit oder vorher oder nachher war eine Bedrohung für die kolossalen Amphicoelias (zumindest wenn sie gesund waren): Dies ist ein klarer evolutionärer Vorteil, wenn man groß ist, obwohl bei den Sauropoden Größenvorteile bei der Verarbeitung erforderlich sind Eine minderwertige Nahrungsquelle wie Kiefern- und Palmfarnnadeln waren wahrscheinlich die Hauptgründe für die schiere Größe.

Aber die Verteidigung ihrer Jungen war eine ganz andere Sache. Bartenwale und Elefanten haben heute dasselbe Problem: Während sie selbst groß genug sind, um jedes Raubtier (Killerwal bzw. Ein dreißig Meter langer, einhundertfünfzig Tonnen schwerer Blauwal hat keine Hoffnung, sein Kalb gegen eine Herde fünf Tonnen schwerer Killerwale zu verteidigen, die flink hereinsausen und geschickt jeder Bedrohung ausweichen, die die Mutter mit ihrem Schwanz darstellen könnte, und die unglücklichen Jungen ungehindert zu Tode ängstigen . Ihr Fang kann in der Zeit erfolgen, die die Mutter braucht, um sich umzudrehen. Wale müssen dieses Problem hauptsächlich durch ihre Seltenheit überwinden – indem sie sich rar machen und sich von Orten fernhalten, an denen Killerwale leben, wenn sie Junge gebären und aufziehen. Elefanten ebenfalls: Ihr riesiges Gehirn (drei- bis viermal so groß wie unseres) hilft hier herauszufinden, wo sich Löwen aufhalten und wo nicht.

Für Amphicoelias war das Problem noch schlimmer. Ein Walkalb wird mit mehreren Tonnen Gewicht geboren und kann sich daher einigermaßen wehren, aber aus Eiern geschlüpfte Dinosaurier, deren Größe aus hier genannten Gründen auf etwa die gleiche Größe wie die eines modernen Straußes begrenzt wurde. Amphicoelias und die Sauropoden haben daher zwei Strategien entwickelt, um ihre Trägheit zu kompensieren: Waffenbluff und Herdenverhalten .

Aus der Muskulatur, Dichte und Form des Schwanzes eines Sauropoden geht hervor, dass der Schwanz als furchterregende Waffe eingesetzt wurde; Seine Muskulatur und seine harte Haut zeigen, dass es wie eine Peitsche geschnippt werden konnte und an seiner Spitze fast Schallgeschwindigkeit erreichte. Ein solch unheilvolles Ding, das mit annähernd Schallgeschwindigkeit und mit einer linearen Dichte von zehn oder sogar Hunderten von Kilogramm pro Meter durch die Luft rast, wäre eindeutig absolut und verheerend tödlich für jedes Lebewesen, gegen das es gerichtet wird, und es könnte schnell überall in einem eingesetzt werden halbkreisförmiger Bereich mit einem Radius von mehreren zehn Metern in der Nähe des Hinterleibs des Tieres. Die Waffe machte also die Trägheit des Sauropoden teilweise wett.

Aber wie bei den meisten Waffen bestand sein Wert hauptsächlich in Bluff. Es ist völlig sinnlos, eine solche Waffe zu verwenden, wenn Ihre eigenen Jungen angegriffen werden - und Sauropoden fehlte die Sehschärfe, die erforderlich ist, um eine Peitsche mit der erforderlichen Genauigkeit einzusetzen, um zu vermeiden, die eigenen Jungen zu treffen. Für einen Einzelgänger ist die Waffe also ziemlich wertlos – daher die nächste List: Herdenverhalten .

Wie die heutigen Elefanten waren Sauropoden dafür bekannt, in großen Herden zu leben. Ihre Jungen konnten sicher umringt von ihren peitschentragenden Eltern grasen. Aber Herdenverhalten und zahlenmäßige Sicherheit bedeuten einen enormen Ressourcenverbrauch, insbesondere wenn die Individuen größer werden. Eine Amphicoelia musste jeden Tag einen Baum fällen, um zu leben, also ist hier die ultimative Grenze für ihre Größe: Die Sauropoden wurden so groß wie sie konnten und haben immer noch genug zum Leben. Die von Aufkag zitierte Abhandlung Burness, Diamond and Flannery, „Dinosaurs, dragons, and dwarfs: The evolution of maximal body size“ zeigt dies: Die größten Kreaturen leben in den üppigsten Ländern.

Genetische Beweglichkeit

Im Fall eines Sauropoden-Dinosauriers wurde die Lebensdauer auf etwa 200 Jahre geschätzt, und es gab nur begrenzt Platz und Nahrung für so große Tiere, so dass, obwohl diese Kreaturen schnell Eier legen und Junge zeugen konnten, nur wenige lebten und die Generationsdauer war wahrscheinlich ähnlich wie die Lebenszeit, sagen wir$10^2$Jahre. Wir kommen also zurück auf die Idee der evolutionären Anpassung als das Finden von Wegen zur Anpassung an ökologische Veränderungen um euch herum, indem der genetische Konfigurationsraum nach Genotypen durchsucht wird, die besser für die veränderten Bedingungen geeignet sind . Und wenn Sie sich langsam reproduzieren, suchen Sie nicht schnell. Je größer ein Tier also wird, desto langsamer wird sein Lebenszyklus, desto wahrscheinlicher wird es von seinen ökologischen Artgenossen übertroffen, die den genetischen Konfigurationsraum flinker durchsuchen, insbesondere wenn es in Herden lebt und daher in prekärer Weise auf eine stetige Nahrungsversorgung angewiesen ist.

Wenn Sie zwei Arten in derselben ökologischen Nische abbilden, sollten sie den genetischen Konfigurationsraum ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit durchsuchen, sonst übertrifft die eine die andere. Es gibt einige Beweise für diese Idee in der relativen Genkombinatorik im Vergleich zur Anzahl der Individuen im Fall von Prokaryoten und Eukaryoten. Prokaryoten entwickeln sich, indem sie „Plasmide“ austauschen – einzelne Gene, die zu einem Ring gerollt sind, der im Zytoplasma der Zelle schwimmt, um sich später möglicherweise in die Haupt-DNA-Sequenz einzufügen – eines nach dem anderen, während Eukaryoten sich sexuell vermehren können und bei jeder Kopplung eine genetische Gesamtmischung produzieren . Produzenten-Eukaryoten können also mit jeder Generation ein viel größeres Spektrum an Genotypen testen und fallen somit nicht hinter die viel zahlreicheren Produzenten-Prokaryoten zurück:

[Ein] in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichter Bericht zeigt, dass die Größe einer Landmasse die maximale Körpergröße ihres Spitzentiers begrenzt.

^{Wissenschaftlicher Amerikaner}

Dies ist der Bericht, auf den verwiesen wird: „Dinosaurier, Drachen und Zwerge: Die Evolution der maximalen Körpergröße“ . (Sie können rechts auf der verlinkten Seite auf "Volltext (PDF)" klicken, um das vollständige Papier zu sehen.)

Ich lese hier einige ausgezeichnete Antworten. Ein Aspekt hat jedoch keine Beachtung gefunden: Survival by Agilität . Mäuse sind agil, Elefanten weniger. Die Größe spielt hier definitiv eine Rolle.

Betrachten wir Tiere, die sich in einer Umgebung mit Gravitationsbeschleunigung auf Beinen fortbewegen$g$. Die Beinhöhe$h$in Kombination mit der Gravitationsbeschleunigung definiert eine 'Agilitäts-Zeitskala':

Diese „Agilitäts-Zeitskala“ charakterisiert die Zeit, die benötigt wird, um umzukehren oder den Kurs zu ändern. Für einen Menschen (Beinhöhe$h \approx 1~\text{m}$) auf der Erde ($g \approx 10~\text{m/s}^2$),$t_\text{agile} \approx 0.3~\text{s}$. Dies ist in der Tat eine charakteristische Zeit für uns, umzukehren.

Es ist wahrscheinlich kein Zufall, dass die Evolution dazu geführt hat, dass Leoparden Beute ihrer eigenen Größe oder sogar noch größer jagen. Trotz der damit verbundenen Stärke kann Größe eine Belastung sein. Ein zu großes Raubtier würde trotz seiner potenziell hohen Geschwindigkeit keine kleinere und beweglichere Beute fangen. Und, noch schlimmer, es würde selbst Gruppen kleinerer und wendigerer Raubtiere zum Opfer fallen.

Ein menschliches Herz kann nur so schnell pumpen. Ab einer bestimmten Höhe steht die Größe des Herzens in keinem Verhältnis zu der Größe, die erforderlich ist, um Blut durch den Körper zu pumpen. Wenn wir davon ausgehen, dass das Herz kein Problem ist, die Knochendichte schon und die Muskelstruktur schon. Sie könnten auch über all die gesundheitlichen Bedenken nachdenken, die mit Fettleibigkeit zusammenhängen, und sie in Bezug auf die Gesamtgröße anwenden. Da sich ein riesiger Roboter nicht bewegen kann, wäre das nur ein Problem des Drehmoments, da es sich auf die Größe bezieht, die die Füße eines Roboters haben müssen, um sein Gleichgewicht zu gewährleisten. Wenn es möglich wäre, superleichte Roboter zu bauen, dann wäre das kein Problem. Beim Menschen nutzt sich der Knorpel in den Gelenken jedoch immer noch ab, egal wie viel davon vorhanden ist. Ein sehr großer Mensch hätte schreckliche Gelenkprobleme und würde die meisten seiner Gelenke sehr früh in seinem Leben zerstören.

Wie @ChrisWhite, @Olin usw. bereits gesagt haben, besteht das Hauptproblem darin, dass Körpermasse und Knochenstärke (usw.) ein unterschiedliches Skalierungsverhalten in Bezug auf die lineare Dimension des Tieres aufweisen. Die Masse wächst im Verhältnis zum Volumen schneller (unter der Annahme einer "normal geformten" Kreatur) und daher können die Gliedmaßen das Tier irgendwann nicht mehr tragen ... besonders nicht, wenn es dynamisch sein soll.

Es gibt auch Druckprobleme mit Muschelablagerung, aber solange sie unter Wasser bleiben, sind diese nicht wichtig: Das klassische Beispiel dafür, dass dies durch die Filmphysik verletzt wurde, war in It Came From Beneath The Sea, wo Ray Harryhausens Riesenkalmar die Golden Gate Bridge zerstört. Unter http://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/ gibt es eine schöne Dezimierung der Physik (und Biologie) von Thie, die zu dem Schluss kommt, dass, nachdem die Kreatur ihre Tentakel hoch aus dem Wasser gehoben hat:

Die Beweise deuten eindeutig darauf hin, dass der arme Kopffüßer durch diesen Überdruck eine plötzliche und massive Gehirnblutung erleidet, gerade als er die Golden Gate Bridge herunterreißt.

Das klassische Werk, das auf diese Skalierungsargumente hinweist, ist JBS Haldanes „On Being the Right Size“ ( http://irl.cs.ucla.edu/papers/right-size.html ), dessen denkwürdigste Zeile lautet:

Sie können eine Maus in einen tausend Meter langen Minenschacht fallen lassen; und unten angekommen, bekommt es einen leichten Schock und geht weg, vorausgesetzt, der Boden ist ziemlich weich. Eine Ratte wird getötet, ein Mann gebrochen, ein Pferd spritzt.

Schließlich, für eine unterhaltsame Ableitung der absoluten Skalierung (anstatt der relativen Skalierungen der Körpermaße), siehe den Artikel „The Height of a Giraffe“ ( http://arxiv.org/abs/0708.0573 ), zusammengefasst in der Zusammenfassung als :

Eine geringfügige Modifikation der Argumente von Press und Lightman führt zu einer Schätzung der Höhe des höchsten laufenden, atmenden Organismus auf einem bewohnbaren Planeten als Bohr-Radius multipliziert mit der Drei-Zehntel-Potenz des Verhältnisses der elektrischen zu den Gravitationskräften zwischen zwei Protonen.