Warum bewegen sich kleine Organismen schneller als große?

Ich habe gezögert, diese Frage zu stellen, weil sie so offensichtlich und intuitiv erscheint. Allerdings kann ich mir diese Tendenz nicht erklären.

Hintergrund

Mir scheint, dass kleine Organismen schnellere Bewegungen machen als große Organismen. Ich meine nicht, dass sie sich mit höherer Geschwindigkeit fortbewegen können (der Gepard ist ein großes Tier und die schnellste Landart), aber ich meine, dass ihre Bewegungen schnell und schnell sind und ihre Mitglieder einer hohen Beschleunigung unterliegen.

Beispiele

Ich würde zum Beispiel vermuten, dass die Beine eines Sandlaufkäfers (Clade of Fast Sprinter Beetle) (siehe Film ) eine viel höhere Beschleunigung erfahren als die Beine eines Geparden (schnellster terrestrischer Organismus der Erde) (siehe Film ). Um nicht ins Extreme zu geraten, würde ich denken, dass die Beine einer Drosophila (siehe Film ) einer höheren Beschleunigung ausgesetzt sind als die Beine eines Hundes (siehe Film ). Der Organismus, der in der Lage ist, die schnellste Beschleunigung zu erzeugen, ist die Fangschreckenkrebse. Wikipedia sagt:

Beide Arten (Smasher und Spearer) schlagen zu, indem sie ihre Greifklauen schnell entfalten und auf die Beute schwingen, und können Opfern, die erheblich größer sind als sie selbst, ernsthaften Schaden zufügen. In Smashern werden diese beiden Waffen mit blendender Schnelligkeit eingesetzt, mit einer Beschleunigung von 10.400 g (102.000 m/s2 oder 335.000 ft/s2) und Geschwindigkeiten von 23 m/s aus dem Stand. Weil sie so schnell aufschlagen, erzeugen sie Kavitationsblasen zwischen dem Fortsatz und der Schlagfläche. Der Zusammenbruch dieser Kavitationsblasen erzeugt zusätzlich zu den Momentankräften von 1.500 Newton, die durch den Aufprall des Anhängsels auf die Schlagfläche verursacht werden, messbare Kräfte auf ihre Beute, was bedeutet, dass die Beute von einem einzigen Schlag zweimal getroffen wird; zuerst durch die Klaue und dann durch die unmittelbar folgenden kollabierenden Kavitationsblasen. Selbst wenn der erste Schlag die Beute verfehlt, kann die resultierende Schockwelle ausreichen, um die Beute zu betäuben oder zu töten.

Beachten Sie schließlich, dass Gabel und Berg (2003) zeigen, dass die Flagella bis zu 270 Hz rotieren kann.

Fragen

  • Habe ich recht mit der Annahme, dass kleine Organismen dazu neigen, sich schneller zu bewegen als große?

  • Wenn ja: Warum machen kleine Lebewesen schnellere Bewegungen?

    • Hat es mit der Zeit für die chemische Diffusion zu tun?
    • Hat das was mit Mechanik zu tun? ( F = m a ... Aber auch die Muskeln sind kleiner).
    • Hat es mit der Resistenz biologischer Gewebe zu tun?
    • ...
Dies könnte physikalisch erklärbar sein, Kraft = Masse * Beschleunigung, also Beschleunigung = Kraft dividiert durch Masse. Wenn die Masse klein genug ist, braucht es nicht viel Kraft, um große Beschleunigungen zu erreichen. Während kleinere Muskeln nicht so viel Kraft erzeugen wie die größeren Muskeln, kann ihre reduzierte Masse dennoch eine größere Beschleunigung ermöglichen.
Muskeln sind auch viel kleiner, so dass es für mich nicht ganz intuitiv ist, warum die Beschleunigung bei kleinen Organismen höher ist.
Richtig, aber ich bin mir nicht sicher, wie Masse und Kraft mit der Muskelgröße skalieren. Die Masse sollte unter der Annahme einer konstanten Dichte linear mit dem Muskelvolumen skalieren, aber die Krafterzeugung kann möglicherweise nicht auf die gleiche Weise skaliert werden. Wenn kleinere Muskeln mehr Newton/Gramm erzeugen können, könnten sie höhere Beschleunigungen erzeugen.
Ja, in der Tat! Ich wäre gespannt auf weitere Informationen, um zu sehen, ob dies eine plausible Erklärung ist.
Ich denke, das könnte etwas mit Kleibers Gesetz zu tun haben, das ungefähr wahr ist. Es besagt im Grunde, dass größere Tiere einen langsameren Stoffwechsel haben als kleinere Tiere. gleichung-des-monats.blogspot.co.uk/2012/06/kleiber-law.html Wenn das Kleibersche Gesetz wahr ist, dann hätten kleinere Tiere mehr verfügbare Energie pro Masseneinheit im Vergleich zu größeren Tieren, was es ihnen ermöglichen würde, relativ viel zu haben große kinetische Energien.

Antworten (2)

Es ist ein allgemeines Phänomen, dass die Zeitskala mit der Größenskala komplexer Systeme korreliert. Der Energieverbrauch ist das Hauptanliegen im Zusammenhang mit der Geschwindigkeit für biologische Organisationen. Im absoluten Sinne hat eine Schildkröte eine höhere Geschwindigkeit als ein kleiner Käfer. Aber basierend auf ihrer Größe scheint der Fehler viel schneller und schneller zu sein. Also müssen wir die Geschwindigkeit mit der Größenskala normalisieren, die wir vorübergehend als "Schnelligkeit" bezeichnen können.

Hier ist die Beziehung zwischen der Echtheit und der Masse:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wobei u die Geschwindigkeit des Organismus ist, M die Masse ist, alpha eine Konstante ist, von der wir annehmen, dass die Stoffwechselenergie mit einem Potenzgesetz mit der Körpermasse des Organismus zusammenhängt.

Die letzte Gleichung besagt, dass bei Alpha > 1,67 der Größere schneller wäre. Aber unsere Beobachtung sagt uns, dass je kleiner desto schneller. Daher kennen wir Alpha < 1,67. Tatsächlich sagt uns das Kleibersche Gesetz , dass das Alpha etwa 0,75 beträgt.

Sie können hier einige Zahlen zu einigen Tieren überprüfen

Eine Vergrößerung der linearen Dimension um x bewirkt eine Zunahme von x 3 in Volumen und Masse. Die Kraft, die ein Muskel erzeugen kann, skaliert grob mit der Querschnittsfläche des Muskels, einer Zunahme von x 2 für einen Muskel, der um einen Faktor von skaliert ist x .

Das bedeutet, dass größere Tiere proportional größere Muskeln benötigen (um Faktor 1). x ), um die Kraft zu erreichen, die erforderlich ist, um eine gegebene Beschleunigung zu erzeugen. Das wird ziemlich schnell unpraktisch, also begnügen wir uns einfach mit weniger Beschleunigung.

Wenn Sie eine 1-cm-Ameise betrachten, die ohne weitere Modifikationen auf menschliche Größe skaliert ist (eine 200-fache Vergrößerung), wäre sie 8.000.000-mal massiver, aber ihre Muskeln wären nur 40.000-mal stärker. Es mag anfangs ungefähr 50-mal stärker gewesen sein als ein Mensch, Masse für Masse, aber auf menschlicher Ebene ist es nur 1/4 so stark; es würde sich kaum bewegen können.

Es gibt andere biomechanische Faktoren, die die Geschwindigkeit beeinflussen können, die kleinere Kreaturen ebenfalls begünstigen. Ein Beispiel ist die Fähigkeit von Fangschreckenkrebsen, Mengen an mechanischer Energie zu speichern, die in der Krümmung ihres Exoskeletts ziemlich groß sind (wie die Speicherung von Energie in der Blattfeder eines Autos). Eine ähnliche Energiespeicherung im menschlichen Maßstab ist einfach nicht praktikabel.

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